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分子纳米碳（包括多环芳烃、环对苯撑和碳纳米带）已成为结构明确、富含碳的分子，具有独特的光物理、电子和拓扑性质。合成有机化学的最新进展极大地扩展了分子纳米碳可及的结构多样性，加速了其在材料科学和生物科学中的探索。在本展望中，研究人员总结了分子纳米碳在生物学应用方
分子纳米碳（包括多环芳烃、环对苯撑和碳纳米带）已成为结构明确、富含碳的分子，具有独特的光物理、电子和拓扑性质。合成有机化学的最新进展极大地扩展了分子纳米碳可及的结构多样性，加速了其在材料科学和生物科学中的探索。在本展望中，研究人员总结了分子纳米碳在生物学应用方面的最新进展。这些研究正开始将分子纳米碳确立为合成化学与生物学交汇处的多功能平台。分子设计、功能化和生物学评价方面的持续进展应进一步扩展其在成像、递送、治疗和生物催化中的作用，从而为分子纳米碳科学和化学生物学开辟新方向。总之，这些进展标志着分子纳米碳生物学的兴起，这是一个新的研究方向，其中精确合成的碳骨架被设计用于以可控和功能性的方式与生命系统相互作用。
分子纳米碳生物学：从精确合成到生物医学应用
**一、研究背景与问题**
碳基材料因其化学稳定性、结构多样性、独特的光物理性质以及内在的生物正交性，在材料科学和生物学研究中得到了广泛探索。纳米尺度的碳材料，统称为纳米碳，如碳纳米管（CNTs）和石墨烯相关材料，因其在可见光到近红外区域具有生物相容性荧光而备受关注，可用于成像、传感和其他体内应用。纳米碳还被研究作为生物活性分子、核酸和蛋白质的载体，利用其大π表面、疏水相互作用和超分子组装能力。然而，对于生物应用，纳米碳通常需要精细的表面修饰以提高其在水性环境中的分散性、稳定性和相容性。传统纳米碳（包括CNTs和石墨烯衍生物）通常是结构不均匀的混合物，在尺寸、直径、边缘结构、缺陷密度和表面组成方面存在差异，这往往导致批次间差异显著。此外，这些纳米碳的功能化通常以非选择性方式进行，导致随机取代模式和不规律的功能化程度。这种结构模糊性使系统的构效关系研究复杂化，并损害了生物学实验的可重复性。
结构明确的分子纳米碳提供了一种补充方法来克服这些局限性。与传统纳米碳相比，分子纳米碳是离散的分子实体，其尺寸、形状、拓扑结构和取代模式可以通过有机合成精确控制。富勒烯通常被视为零维纳米碳，在生物学环境中提供了早期且重要的概念范例。小的多环芳烃（PAHs），如芘、苝、碗烯和苏曼烯，也因其特有的光物理和电子性质而作为分子碳平台发挥核心作用。合成有机化学的最新进展已将可及分子纳米碳的结构多样性扩展到富勒烯和经典PAHs之外。环状分子纳米碳以环对苯撑（CPPs）为代表，通过里程碑式的研究在合成上变得可行，随后的发展使得制备不同尺寸、取代基、杂原子掺入和拓扑结构的CPPs成为可能。带状分子纳米碳，包括碳纳米带和相关张力结构，也已作为碳纳米管的精确定义片段出现。在开发环状分子纳米碳的同时，二维分子纳米碳合成方面的进展提供了日益多样化的PAH骨架，其尺寸、边缘结构、曲率和拓扑结构可控。一个特别重要的进展是π拓展和骨架多样化的快速可编程合成方法的出现。同时，曲率、应变、非六元环和三维拓扑结构的引入有助于解决平面π体系溶解度低和强聚集倾向的问题。总之，这些进展已将分子纳米碳从合成挑战性目标转变为可设计的分子平台。
**二、研究内容与主要技术方法**
研究人员在发表于《Chemical Science》的展望中，聚焦于石墨烯样分子以及环状和带状分子纳米碳，重点介绍其作为光物理探针、递送系统、生物活性分子和酶促衍生化底物的新兴生物学应用。这些进展标志着从将纳米碳用作异质碳材料到将其设计为具有可编程生物功能的离散分子实体的概念转变，即分子纳米碳生物学的兴起。研究人员在文中采用了以下几种关键的技术方法：（1）晚期功能化策略，包括区域选择性C–H硼化、Suzuki–Miyaura交叉偶联、溴化、硫鎓盐功能化等，用于引入水溶性基团和生物偶联手柄；（2）非共价纳米颗粒制剂方法，利用两亲性聚合物如Pluronic F68、DSPE-PEG2000和PSMA封装疏水性分子纳米碳；（3）生物正交点击化学，包括铜催化的叠氮–炔环加成（CuAAC）和无铜点击反应，用于构建探针–生物分子偶联物；（4）单分子定位显微镜（SMLM）、双光子荧光成像和共聚焦荧光显微镜等先进成像技术；（5）利用活体生物（斜纹夜蛾幼虫）作为全生物反应器，通过内源性细胞色素P450酶实现分子纳米碳的选择性氧化，结合转录组分析、RNA干扰（RNAi）、异源表达、分子动力学模拟和密度泛函理论计算进行机理研究；（6）通过构效关系研究系统优化阳离子型分子纳米碳载体的疏水性和pKa值。研究中涉及的样本来源包括HEK293T细胞、HeLa细胞、原代感觉神经元、植物原生质体和造血干细胞等。
**三、研究结果**
**光物理应用**
2018年，Itami、Segawa、Sato等报道了首个大型水溶性石墨烯样纳米碳——具有负高斯曲率的水溶性扭曲纳米石墨烯（WNG）的合成，并证明了其在细胞成像和光动力治疗中的潜力。通过共聚焦荧光显微镜确认WNG被细胞摄取，主要定位于溶酶体，并表现出光动力治疗活性。2024年，Bonn、Narita、Liu等报道了用于单分子定位显微镜（SMLM）的水溶性二苯并[hi,st] ovalene（DBOV）衍生物，并通过铜催化叠氮–炔环加成（CuAAC）反应实现了原代感觉神经元中新生蛋白的成像。Chu、Tan等开发了由222个碳原子组成的水溶性平面石墨烯，并将其应用于小鼠的温热和光动力肿瘤治疗。Ito、Itami、Amaike等报道了PAHs的硫鎓盐功能化以增强水溶性，所得PAHs在哺乳动物细胞中显示优先线粒体定位。Ito等于2022年合成了二氮杂五苯并冠烯鎓，这是一种含有咪唑鎓官能团的碗状结构，在癌细胞中表现出优先线粒体定位。An等于2024年报道了用于光动力治疗的多杂原子掺杂纳米石墨烯，其具有供体–受体结构，在630 nm光照下表现出光动力活性。
在环状分子纳米碳方面，Pluth、Jasti等报道了磺酸取代的[8]环对苯撑（[8]CPP），并通过叶酸偶联实现了HeLa细胞的受体介导摄取增强。Nan、Pluth、Jasti等报道了水溶性间位[6]CPP用于亚细胞蛋白靶向，其通过内吞途径实现高效细胞摄取，并适用于双光子荧光成像。Liu、Wu、Xu等报道了冠醚–CPP杂化大环，能够通过荧光增强检测脂多糖诱导的炎症，并对HeLa、H520和BEAS-2B细胞表现出细胞毒性。值得注意的是，不同环尺寸的CPPs表现出与成像应用相关的独特光物理特征：尽管HOMO–LUMO能隙随尺寸变化，但不同尺寸CPPs的混合物可以在同一波长下激发，因为HOMO–LUMO跃迁形式上是被禁止的，发射源自更高的激发态（S
2或以上）。因此，每个CPP尺寸在共享相同激发波长的同时发射出独特的尺寸依赖性波长，这暗示了多重成像的潜力。Itami、Amaike、Yagi等最近报道了基于芳香族带——亚甲基桥连环对苯撑（MCPP）的首个成像探针，揭示了其在哺乳动物细胞中独特的细胞内化行为：分子首先在细胞膜上积累，然后被内化，实验和计算研究表明带的内部空腔与膜脂质或膜相关蛋白相互作用。
非共价制剂方面，基于三蝶烯骨架的纳米石墨烯与Pluronic F68组装的纳米颗粒成功应用于小鼠体内成像。基于扭曲双[7]碳七螺烯的自主装纳米颗粒用于光动力治疗。基于二苯并[a,m]二萘并[3,2,1-ef: 1′,2′,3′-hi]冠烯（DBDNC）的纳米颗粒用于小鼠感觉神经元逆行轴突转运成像。基于酰亚胺化双蒽的纳米颗粒已被证明可用于体内光诊疗应用。
**核酸递送载体**
Nakamura等率先报道了使用氨基化富勒烯作为核酸递送载体，阳离子胺基通过静电相互作用与DNA/RNA的阴离子磷酸骨架结合。Miyamoto、Numata等报道了与植物线粒体靶向肽偶联的DBOV衍生物（PMTP-DBOV），通过无铜点击反应合成，实现了高分辨率SMLM成像和质粒DNA向植物线粒体的高效递送。Itami、Amaike等系统设计了阳离子二芳基苝-3,4,9,10-四酯，通过构效关系研究确定了优化化合物SMZ052，其能够在HEK293T细胞中实现高效质粒DNA转染，在HeLa-GFP细胞中实现siRNA介导的基因敲低，并在植物原生质体和造血干细胞中表现出优异的DNA递送性能。
**生物靶标调节剂**
Fuchter等报道了基于螺旋烯的衍生物[5]-螺旋抑素（HA-1），作为秋水仙碱位点微管蛋白抑制剂，具有强效抗有丝分裂活性。HA-1是康布斯他汀A4（CA4）的结构类似物，其中3,4,5-三甲氧基苯基药效团被刚性化在螺旋烯骨架中，有效模拟了与秋水仙碱位点结合所需的反式二苯乙烯几何构型。Itami、Yamada、Amaike等以平面π拓展纳米碳clionene为代表，证明了分子纳米碳可作为调节蛋白–蛋白相互作用（PPIs）的生物活性骨架。Clionene被鉴定为家蚕滞育调节蛋白PND和PND-2的抑制剂，分子建模和分子动力学模拟表明clionene占据IL-17A/IL-17RA界面的保守疏水口袋，通过形状互补和广泛的π–π相互作用破坏细胞因子–受体结合，且具有较低细胞毒性。
**酶介导的衍生化**
Itami、Usami、Yanai、Fujimoto等建立了“昆虫内”合成平台，利用活体斜纹夜蛾幼虫作为全生物反应器，通过内源性外源物代谢实现分子纳米碳的选择性氧化。将带状[6]MCPP喂食幼虫，获得单一氧掺杂产物[6]MCPP-氧杂环，分离产率约10%（转化率约30%），未检测到过度氧化。在类似条件下，[6]CPP转化为[6]CPP-氧杂环的产率约6%，而其他环尺寸的CPPs保持不反应，表明显著的底物和尺寸选择性。值得注意的是，氧插入通过碳–碳键断裂实现，将高度对称的带状和环状纳米碳转化为低对称性的氧掺杂骨架，将非发射性的母体纳米碳转化为绿色荧光衍生物（荧光量子产率约0.1–0.3）。机理研究结合转录组分析、RNAi敲除实验、大肠杆菌异源表达、分子动力学模拟和密度泛函理论计算，确定特定细胞色素P450亚型（CYP X2和CYP X3）为关键催化剂，并支持了一种不寻常的碳–碳键氧插入机制，而非CYP酶通常相关的常规C–H羟基化途径。
**四、结论与展望**
结构明确的分子纳米碳的发展为合成化学与生物科学的交汇开辟了新机遇。与结构异质性常使机理研究和可重复性复杂化的传统纳米碳不同，分子纳米碳具有精确定义的架构，能够实现构效关系的系统研究和合理的分子设计。分子纳米碳已发现多种生物学应用：其独特的光物理性质促进了生物成像探针、光动力治疗剂和生物传感平台的发展；作为核酸递送载体，其展示了精确工程化π共轭框架补充已建立的脂质、聚合物和肽类递送系统的潜力；分子纳米碳还可作为能够调节蛋白–蛋白相互作用和其他生物靶标的生物活性分子；此外，分子纳米碳已被识别为酶促转化的底物，为生物催化功能化和合成开辟了新可能性。其独特的光学吸收和发射性质提供了将生物活性和分子成像整合在单一分子纳米碳平台中的机会。
然而，仍存在若干挑战：需要高效通用的水溶化策略以促进更广泛的生物应用。文中讨论的多种功能化策略，包括卤化和硼化等晚期功能化，以及将可功能化手柄掺入合成前体，为将水溶性取代基引入分子纳米碳提供了直接途径。此外，已报道了几种补充方法，包括CPPs的两步胺化方法、树枝状聚合物功能化聚芳烃与人血清白蛋白偶联以赋予水溶性，以及肽偶联分子纳米碳形成水凝胶等。为充分利用分子纳米碳独特的拓扑特征，主客体化学已引起相当关注。
鉴于可及分子纳米碳架构的快速扩展和分子设计策略的日益成熟，分子纳米碳预计将从模型碳分子演变为生物科学的多功能功能平台。未来的努力不仅将扩展其在成像、递送和治疗中的应用，还将建立由分子纳米碳独特结构和电子特征产生的全新研究方向。特别是，结构明确的分子纳米碳为先进光物理应用提供了多功能平台，包括多重成像、多光子显微镜、超分辨成像和荧光寿命成像，以及用于治疗目的的活性氧和热量产生。研究人员预计，分子纳米碳生物学将成为一个合成精度、碳基功能和生物复杂性交汇的丰饶领域。
