综述：碳点作为穿透血脑屏障和治疗缺血性卒中的智能纳米平台

《Responsive Materials》：Carbon dots as a smart nanoplatform for the blood-brain barrier penetration and ischemic stroke therapy

　　

缺血性卒中（IS）是全球死亡和永久性神经功能障碍的主要原因之一，其临床治疗受到复杂的缺血性病理级联反应和不可渗透的血脑屏障（BBB）的严重制约。脑缺血和再灌注触发一系列病理事件，包括能量耗竭、兴奋性毒性、钙超载、氧化应激和神经炎症，并伴有进行性BBB损伤。这些病理过程加剧继发性脑损伤，并严重阻碍治疗药物向病灶部位的递送。碳点（CDs）凭借其超小粒径、可调表面性质、优异的生物相容性、固有荧光特性和多重治疗生物活性，已发展为针对IS的先进纳米平台。本综述系统概述了BBB的结构特征和转运规律，阐述了IS的病理级联反应及其对BBB完整性的破坏性影响，并详细阐述了CDs穿透BBB的三种主要途径：被动扩散、载体介导转运和依赖内吞的转胞吞作用。进一步强调了CDs在IS相关病理级联反应中的治疗作用，包括活性氧清除、线粒体保护、炎症小体调节、程序性细胞死亡抑制和BBB完整性维持。此外，主要基于脑出血（ICH）相关模型的铁相关氧化应激调节，被讨论为卒中相关氧化损伤的机制性证据，而非IS治疗直接证明。总之，CDs可作为IS管理的灵活诊疗候选物。然而，仍需更深入的研究以阐明潜在机制、优化生物安全性并促进未来临床转化。

1 INTRODUCTION
脑卒中是全球重大公共卫生挑战，其中缺血性卒中（IS）是最常见亚型，占全球卒中病例的65.3%，且发病呈现年轻化趋势。IS治疗面临双重核心瓶颈：一是缺血及再灌注损伤触发复杂的病理级联，包括能量耗竭、兴奋性毒性、钙超载、线粒体功能障碍、氧化应激、神经炎症和血脑屏障（BBB）破坏；二是BBB几乎阻断98%的小分子药物和几乎所有大分子药物进入脑实质，导致药物脑内生物利用度极低。因此，理想纳米治疗平台需同时具备高效安全的BBB穿透能力和多靶点干预活性。碳点（CDs）因超小尺寸（<10 nm）、表面可调、生物相容性好、荧光特性及内在生物活性，成为IS诊疗的有前景平台。

2 PATHOPHYSIOLOGICAL CASCADE OF ISCHEMIC STROKE AND BBB DISRUPTION
2.1 Early stage: Energy depletion and glutamate excitotoxicity
IS起始于脑血流中断，导致氧和葡萄糖缺乏，线粒体氧化磷酸化受抑，ATP、NAD⁺、NADPH耗竭，Na⁺/K⁺-ATP酶失效，膜去极化，谷氨酸异常释放，星形胶质细胞谷氨酸转运体反向，过度激活N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDAR），引发兴奋性毒性，成为缺血性神经元损伤的早期关键步骤。

2.2 Middle stage: Ca²⁺ overload, mitochondrial dysfunction and oxidative stress burst
兴奋性毒性驱动钙内流和胞内钙释放，导致病理性Ca²⁺超载，激活降解酶，破坏细胞骨架，诱导线粒体膜电位崩溃和通透性转换孔开放。损伤线粒体泄漏电子，产生过量活性氧（ROS）和活性氮，同时谷胱甘肽和NADPH耗竭削弱内源性抗氧化防御，引发脂质过氧化、蛋白质交联和DNA损伤，并直接损害脑微血管内皮细胞膜完整性。

2.3 Late stage: Neuroinflammation amplification and inflammasome activation
坏死细胞释放损伤相关分子模式（DAMPs），激活NLRP3和AIM2炎症小体，促进IL-1β成熟和gasdermin D裂解介导的焦亡信号。小胶质细胞和浸润巨噬细胞向促炎表型极化，释放TNF-α、IL-1β等炎症介质。肠脑轴紊乱促进脂多糖（LPS）释放，加剧全身炎症。黏附分子ICAM-1和VCAM-1上调促进中性粒细胞跨内皮迁移。星形胶质细胞水通道蛋白-4（AQP4）异常上调并失去极性分布，促进血管源性水肿。

2.4 Terminal stage: Structural breakdown of the BBB and secondary brain injury
ROS和炎症介质诱导内皮凋亡，强烈激活基质金属蛋白酶（MMPs），尤其是MMP-9，降解基底膜成分（Ⅳ型胶原、层粘连蛋白）并切割紧密连接蛋白（occludin、claudin-5）。水肿诱导的机械传导促进肌动蛋白应力纤维重组，使跨膜连接蛋白与ZO-1等脚手架蛋白解离。这些协同作用导致BBB通透性急剧增加，血浆外渗和免疫细胞浸润，加剧脑水肿、神经炎症和神经元丢失，增加再灌注后出血转化（HT）风险。BBB破坏既是缺血级联的下游后果，也是继发性脑损伤的核心放大器。

3 THE STRUCTURE AND ENDOGENOUS TRANSPORT PATHWAYS OF THE BBB
3.1 Structure basis of the BBB
BBB由脑微血管内皮细胞（BMECs）及其紧密连接（TJ）、 adherens连接、基底膜、周细胞和星形胶质细胞足突构成神经血管单元（NVU）。内皮腔面覆盖糖萼，作为首道静电和分子筛屏障。TJ蛋白（claudins、occludin、VE-cadherin）通过ZO-1/ZO-2等脚手架蛋白连接至肌动蛋白细胞骨架，形成极高跨内皮电阻（TEER）。

3.2 Four endogenous transport pathways across the BBB
3.2.1 Passive diffusion
仅少数高度亲脂、低分子量（<400 Da）或非极性小分子能经磷脂双分子层被动扩散；水溶性分子和大分子受TJ复合体严格阻断。TJ通透性受丝裂原活化蛋白激酶、蛋白激酶C（PKC）、Rho相关激酶等信号通路动态调控。

3.2.2 Receptor-mediated transcytosis (RMT)
大分子通过配体与BMECs腔面特异性受体结合，经内吞囊泡转运并释放至脑侧。代表性受体包括转铁蛋白受体（TfR）、胰岛素受体、低密度脂蛋白受体相关蛋白1（LRP1）和乳铁蛋白相关受体。碳点领域实例包括转铁蛋白偶联C-dots、Angiopep-2修饰CDs（靶向LRP1）、乳铁蛋白修饰Mn-CDs等。

3.2.3 Carrier-Mediated Transport (CMT)
CMT是必需营养素入脑的主要途径，由BMECs腔面和/或腔外膜上的转运体介导。葡萄糖转运体1（GLUT1）是主要葡萄糖转运体，大氨基酸转运体1（LAT1）是大中性氨基酸的关键转运体。CMT具有高选择性和极性，是CNS药物递送研究的重要靶点。

3.2.4 Adsorptive-Mediated Transcytosis (AMT)
阳离子分子与负电荷的腔面糖萼/内皮膜发生静电相互作用，触发非特异性吸附和内吞摄取。AMT是不依赖配体的互补转运途径，尤其适用于阳离子纳米材料。

3.3 BBB permeability changes under ischemic pathological conditions
BBB通透性在IS后呈双相变化：早期（再灌注后数分钟至数小时）可能与内皮转胞吞增强有关；后期（24–72 h）因炎症介质、氧化应激和蛋白酶激活导致紧密连接蛋白降解和基底膜损伤，旁细胞渗漏显著增加。不同研究使用的示踪剂（水交换、Gd-DTPA、伊文思蓝-白蛋白、不同大小葡聚糖）导致绝对数值不可直接比较。因此，缺血诱导的BBB开放是一种动态、分层、机制切换的过程，纳米载体设计需针对不同时间窗口优化尺寸、变形性和内皮摄取特性。

4 MECHANISMS OF CARBON DOTS PENETRATING THE BBB
4.1 Size-facilitated BBB entry: Physical advantage
4.1.1 CDs cross the BBB by exploiting the size effect
CDs作为零维碳基纳米材料，具有<10 nm的超小几何尺寸，可克服传统纳米载体的物理排斥阈值。Lu等合成的氮掺杂N-CDs（~2.6 nm）在TEER 200–300 Ω·cm²的体外BBB模型中表现出显著跨膜通量。Araújo等制备的NF-CDs（4.0 nm）在HUVEC-Transwell模型中呈时间依赖性转运。Zhou等两亲性Y-CDs（3.4 nm）在斑马鱼中无需靶向配体即可进入中枢，表明超小尺寸和两亲性提供几何基础。

4.1.2 CDs utilization of BBB permeability in ischemic stroke
缺血/再灌注（I/R）诱导的氧化应激和神经炎症异常激活MMPs，导致claudin-5、occludin等紧密连接蛋白降解，BBB旁细胞通路病理性增宽。Borjigin等制备珍珠粉荧光碳点（PFCDs，水合粒径2.75 nm），在MCAO/R大鼠中静脉注射后脑实质荧光显著高于假手术组，表明其通过缺血损伤后通透性增加的BBB富集于病灶，而非自主穿透完整BBB。

4.2 Ligand-assisted receptor-mediated BBB transport of CDs
RMT通过配体与BMECs表面受体结合实现选择性跨BBB转运。Li等将人转铁蛋白共价偶联至CDs（TEM尺寸5 nm），斑马鱼模型证实转铁蛋白-CDs可进入CNS，而未修饰CDs不能；进一步构建CDs–Trans–Dox系统递送阿霉素治疗儿童脑肿瘤。Hettiarachchi等开发C-DT平台，依次偶联转铁蛋白、表柔比星和替莫唑胺，尺寸仅从1.5–1.7 nm增至3.5 nm，在SJGBM2细胞中细胞毒性达86%。Ruan等将Angiopep-2修饰至PEG化CDs（An-PEG-CDs，TEM 4 nm），原位C6胶质瘤模型中肿瘤/正常脑荧光比达1.73，利用LRP1介导跨BBB及肿瘤靶向。Xu等设计T7肽修饰的C-dots-T7（2–5 nm），在MCAO模型中缺血半球荧光强度为未修饰组的254%，梗死体积从48.2%降至20.4%。Wang等开发Art-Mn-CDs@Lf（乳铁蛋白修饰），利用乳铁蛋白受体增强跨BBB能力用于帕金森病。

4.3 CMT: Nutrient transporter-guided delivery
4.3.1 GLUT1-mediated pathway (glucose-based CDs)
Seven等以D-葡萄糖为唯一前体合成GluCDs（3.77 nm），FTIR证实表面保留葡萄糖样结构。竞争抑制实验中过量D-葡萄糖显著阻断摄取，而L-葡萄糖无抑制作用，GLUT1缺陷酵母几乎不摄取，强证明GLUT1介导。体内斑马鱼和大鼠模型中，GluCDs静脉注射后快速抵达脑实质，且卒中时内皮细胞补偿性上调GLUT1，有利于缺血区域靶向。

4.3.2 LAT1-mediated pathway (amino acid-based CDs)
Mintz等以L-色氨酸为碳源合成CD-EDA和CD-Urea（TEM 6.2 nm和4.1 nm），表面保留色氨酸芳香结构和含氮基团，斑马鱼中CD-EDA（保留更多色氨酸基团）在CNS荧光更明显，提示LAT1相关转运。Yang等制备葡萄糖+L-色氨酸双营养GT-CDs（6.21 nm），竞争实验显示游离色氨酸比葡萄糖更显著降低脑荧光，表明LAT1贡献大于GLUT1。Li等以L-精氨酸合成Mn-CDs（4.75 nm），在bEnd.3/glioma Transwell模型中，LAT1抑制剂BCH使跨膜荧光降低约60%–70%，提供功能证据。

4.4 AMT: Electrostatic interaction-driven endocytosis
BMECs腔面富含唾液酸和硫酸化糖胺聚糖，带负电。带正电CDs通过静电吸附触发内吞。Liu等制备的碳化聚合物点（CPDs，~5.74 nm，ζ≈+1.5 mV）在体外BBB模型穿透率20%–40%，正常大鼠尾静脉注射后1 h脑内出现红色荧光并持续24 h。Deng等制备的MGA-CDs（二甲双胍+没食子酸）含阳离子胍基，穿透BBB且不影响TEER。Yan等制备的PTX-CDs（紫杉醇衍生）粒径20.09 nm，超过TJ窗口，但正ζ电位促进巨胞饮摄取（amiloride敏感途径），实现BBB穿透。

5 MULTITARGET THERAPEUTIC EFFECTS OF CARBON DOTS FOR ISCHEMIC STROKE: DIRECT EVIDENCE AND MECHANISTIC INSIGHTS FROM RELATED STROKE MODELS
5.1 ROS scavenging, iron dysergulation, and ferroptosis modulation
IS和ICH中ROS爆发和铁过载驱动氧化损伤和铁死亡。Jia等以槲皮素和乙二胺合成QECQDs（2–11 nm），清除ABTS和DPPH，在ICH小鼠模型中改善脑血流、抑制脂质过氧化。Yang等开发阿司匹林衍生NACQDs（6–13 nm），通过荧光淬灭证实螯合Fe²⁺/Fe³⁺，降低ICH脑组织铁含量，上调SOD、GPX4和HO-1，降低MDA。Tang等人参皂苷Rb1合成RBCQDs，降低Fe²⁺（21→15 mg/kg）和Fe³⁺（3.3→1.4 mg/kg），清除ROS。针对IS，Yang等制备银杏内酯B修饰碳化聚合物点（GB-CPDs），在MCAO模型中显著减少梗死体积，改善神经功能，脑内滞留达72 h，优于CPDs或GB单用。

5.2 Mitochondrial protection and function repair
Xu等合成C-dots-T7（谷胱甘肽+叶酸，T7修饰），在300 μg/mL时羟基自由基清除率近90%，80 μg/mL时超氧自由基清除率95%，与线粒体共定位（Pearson系数~0.87），恢复OGD/R后的线粒体膜电位和嵴结构，将梗死体积从48.2%降至20.4%。Zhang等设计铜掺杂Cu-CDs，利用中性粒细胞“搭便车”穿过BBB，靶向损伤线粒体，通过Cu²⁺中心的可变态清除O₂^·?，将OGD/R后ΔΨm从5%恢复至28%，ATP从~5%恢复至~48%，MCAO/R模型梗死面积从~66%降至14.7%。

5.3 Inflammasome inhibition and immune microenvironment remodeling
Xiao等以表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）合成EGCG-CQDs，抑制ROS，阻断NF-κB/NLRP3/caspase-1/GSDMD轴，减少IL-1β、IL-18、TNF-α、IL-6，同时恢复Nrf-2/HO-1/SOD2抗氧化轴。Borjigin等发现PFCDs在MCAO/R大鼠中抑制Anxa2/NF-κB通路，降低p-Anxa2、p-NF-κB p65及血清炎症因子，改善神经功能。Zhang等从碳化人发中提取CrCi-CDs，在MCAO模型中降低谷氨酸和天冬氨酸，增加5-羟色胺（5-HT），减少TNF-α和IL-6，减轻脑水肿。

5.4 Anti-pyroptosis and anti-apoptosis
Hou等将硒掺杂CDs封装于GSH修饰脂质体（Se-CD@LP-GSH，粒径115.9 nm），在OGD/R模型中通过增强GP