《Journal of Pharmaceutical Analysis》：Traditional Chinese medicine-derived carbon dots: A new horizon in green nanotheranostics
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将植物前体固有的生物活性与纳米颗粒可调的物理化学性质相结合，传统中药源碳点（TCM-CDs）已成为可持续纳米诊疗学中一个有前景的创新平台。通过环境友好型路线（如水热或微波辅助碳化法）合成，这些纳米材料表现出“药理继承”（pharmacological inhe
将植物前体固有的生物活性与纳米颗粒可调的物理化学性质相结合，传统中药源碳点（TCM-CDs）已成为可持续纳米诊疗学中一个有前景的创新平台。通过环境友好型路线（如水热或微波辅助碳化法）合成，这些纳米材料表现出“药理继承”（pharmacological inheritance），这是一种显著的现象，即来自前体的生物活性部分（如多酚、生物碱和多糖）被部分保留或结构转化，从而有助于其观察到的治疗活性。通过将结构特征（包括超小尺寸（<10 nm）和可调光学性质）与固有生物活性相结合，TCM-CDs在影像引导治疗、抗炎、肿瘤学、止血和组织再生方面显示出有前景的临床前潜力。尽管具有显著的临床前潜力，TCM-CDs从实验室到临床的转化仍受到关键瓶颈的阻碍，包括批次间异质性、缺乏标准化的质量控制（QC）方案、次优的递送精度，以及对其长期生物安全性和潜在分子机制的不完全理解。在此，研究人员系统地回顾了TCM-CDs在合成、纯化和生物医学应用方面的最新进展。为了促进未来的临床转化，研究人员强调，将多组学技术与精确控制的制造工艺相结合，是推动下一代草药源纳米药物发展的关键路径。
1. 引言
近期纳米技术的进步使得能够在纳米尺度上精确操控材料，推动了生物医学应用的重大进展。在各种纳米材料中，碳点（CDs）作为准球形零维荧光碳纳米颗粒，自2004年被偶然发现后迅速成为材料科学的焦点。这些纳米颗粒直径通常小于10 nm，具有独特的双相结构：一个sp2杂化的石墨化中心，被富含羟基（-OH）、氨基（-NH2）和羧基（-COOH）基团的无定形外层所包裹。这种结构上的双重性直接转化为稳健的光学性能，实现了高荧光量子产率（QY）、长发射寿命以及对光漂白的显著抵抗性。结合固有的水溶性、高度可调的表面化学性质和极低的细胞毒性，这些光致发光特性使CDs成为多种生物医学应用中极具转化潜力的平台，范围从高分辨率细胞成像到局部药物递送。
CDs的制备方法分为自上而下和自下而上两大类。自上而下技术通过物理或化学方法剥离块状碳同素异形体（如石墨）成纳米尺寸的点。然而，这类降解途径长期受困于产物回收率低、尺寸分布不均和不可预测的表面状态。自下而上路线则通过聚合和碳化小有机分子（如醇、酯和碳水化合物）来实现纳米级精度。这些缩合反应通常通过微波、溶剂热、水热或煅烧途径进行。通过系统地调节反应持续时间、热量输入和前体比例，研究人员可以精确调控CDs的光致发光、核心尺寸和表面化学性质，以满足特定应用需求。
随着对绿色化学和可持续纳米医学兴趣的增长，从生物相容性天然产物开发多功能“绿色CDs”已成为研究热点。拥有数千年历史的中药（TCM）富含多种活性成分，因此被视为开发新药的天然“组合化学样品库”。数千年前，中国就发展出了基于“炒炭存性”原则制备炭药以治疗疾病的技术。例如，艾叶炭是中药中的经典止血药。这种古老的加工方法与用于CDs的高温碳化策略原理一致。然而，缺乏标准化的质量控制和工艺参数阻碍了传统炭类中药制剂的临床转化。同时，高温碳化过程中发生的复杂化学转化以及识别关键生物活性成分的挑战，极大地阻碍了中药源碳点（TCM-CDs）在工业规模上的系统性开发。
尽管存在这些挑战，近期研究表明，TCM-CDs具有连接传统加工与现代纳米医学的独特优势。TCM-CDs的快速发展标志着绿色纳米诊疗学的范式转变，将其作用扩展到传统的生物成像剂之外。早期研究主要利用TCM-CDs的荧光特性进行细胞成像，往往忽略了其内在的治疗潜力。一个重要的里程碑出现在2014年，当时首次报道了姜源CDs的抗肿瘤活性。与通常需要外部钝化剂或复杂表面修饰的传统CDs不同，TCM-CDs利用了草药前体中丰富的天然官能团。这使得能够实现绿色的一锅法合成，同时形成荧光碳核和生物活性表面壳层，有效地将诊断和治疗整合到一个可持续的纳米平台中。绿色化学、中药现代化和纳米诊疗学的融合为精准医学开辟了新视野，特别是在开发经济实惠、生物相容性好且多功能的影像引导治疗系统方面。
然而，关于其构效关系（SAR）的系统性研究仍然稀缺，大多数研究局限于“制备、表征和活性验证”的表层模式。此外，不同中药前体在CDs形成过程中的反应机制差异显著，而发挥核心作用的关键化学成分尚未得到系统阐明。
鉴于天然产物与纳米技术的近期融合，本综述综合了过去三年的文献，追踪了TCM-CDs的研究轨迹。在此，正式引入了“药理继承”的概念。通过监测生物活性部分在绿色碳化过程中如何被保留或结构改变，这一理论直接揭示了连接草药前体与其纳米级衍生物的复杂构效关系。超越了对植物源与传统CDs理化特性的基本比较，构建了一个连续的逻辑框架。该框架将绿色制造和精确纯化方案与下游生物活性联系起来，包括止血、抗炎、抗病毒和肿瘤干预。最后，本文指出了限制临床实施的主要转化障碍，并提供了一条潜在的策略路径。
为确保系统性综述，系统地检索了与TCM-CDs相关的学术文献。首先，将检索范围定义为2022年至2026年间发表的学术期刊文章和综述，涵盖纳米医学、药物分析、中药和材料科学等学科。使用PubMed、X-MOL和Web of Science学术平台进行文献检索。关键词包括“CDs”、“TCM-CDs”、“synthesis”、“pharmacological activity”和“clinical application”，并使用布尔运算符进行组合。如果文献涉及TCM-CDs或天然产物前体的制备、理化性质或生物活性，则予以纳入。反之，非同行评议出版物、重复记录以及缺乏明确前体来源记录的文献则被排除。符合条件的文献使用Mendeley软件进行管理，从中系统提取并分类关键信息，如作者、发表年份、合成方法、TCM-CDs类型、主要生物活性和机制。
鉴于该领域材料的结构和组成多样性，根据前体原料的性质和后合成工程的程度，将已报道的TCM-CDs分为三个不同的类别：i) 草药源CDs：通过直接碳化粗草药材料（如全草、根、叶或果实）作为唯一前体制得。ii) 化合物源CDs：由结构明确的纯化天然产物分子（如小檗碱、姜黄素或甘草酸（GA））合成。iii) 复合系统：通过对上述两类TCM-CDs进一步功能化构建的多功能平台，例如通过载药、掺入水凝胶，或与金属纳米颗粒或光敏剂结合。
2. TCM-CDs的独特性质
中药长期以来在多种疾病的预防和临床管理中发挥着重要作用。然而，几个突出的局限性阻碍了其临床转化和实际应用。一方面，最常见的中药传统剂型通常表现出相对较低的生物利用度。另一方面，中药缺乏精确靶向能力。TCM-CDs是一类通过热解、水热处理及相关方法从中药物质合成的碳纳米材料。其特定的生物学特性源于碳纳米材料的自然属性和中药中生物活性成分的转化。这种结合不仅确保了其固有的安全性、疗效和应用潜力，也为开发新型中药基递送系统提供了支持。
2.1. 良好的生物相容性和低生物毒性
传统的化学合成CDs大多由结构明确的小有机分子制备，其纯化对于去除残留的有毒副产物至关重要。相比之下，TCM-CDs利用“药食同源”的物质作为前体，提供了良好的生物相容性和生物安全性。在碳化过程中，中药丰富的官能团原位转化为多样的亲水基团，确保了良好的水溶性，同时保留了前体的固有生物活性。然而，中药的“天然”来源并不能保证绝对安全，因为TCM-CDs的毒性高度依赖于处理过程。目前，TCM-CDs的毒理学评估仍主要局限于简化的体外测定。未来的研究应整合多组学技术来解读TCM-CDs对细胞存活、活性和功能的影响。
2.2. 组织滞留与协同效应
虽然传统的化学合成CDs通常是具有有机-无机杂化结构的碳化聚合物点，但TCM-CDs是“集成载体-活性组分系统”，而非简单的碳载体。其核心药理骨架经常通过元素掺杂或原位表面修饰整合到纳米结构中。将活性中药组分嵌入纳米碳框架中，不仅提高了活性物质的物理化学稳定性，还显著增强了其生物利用度。TCM-CDs的性能增强不仅源于生物活性成分的保留，还源于碳核固有物理化学性质与药理活性之间的协同作用。TCM-CDs整合了碳核的“载体屏障”功能和表面基团的“核心治疗效果”，在纳米尺度上体现了中药配伍理论的精髓。
2.3. 精准靶向与可控递送能力
一些中药组分易通过血液和淋巴循环被快速清除。相比之下，TCM-CDs不仅继承了传统CDs的尺寸优势，还利用了发炎、受伤或肿瘤组织的独特微环境，这可能有助于其在病灶部位延长滞留时间。中药理论认为某些特定草药对特定器官和组织具有高亲和力。此外，表面功能修饰可以进一步提高TCM-CDs的靶向特异性。
2.4. 光学性质
TCM-CDs通常表现出独特的光学性质，其中一些可以在光照下产生光热或光动力效应，从而实现兼具诊断和治疗功能的影像引导治疗模式。这解决了传统疗法的一些局限性，包括缺乏实时监测和次优的药物分布。对于荧光成像，TCM-CDs通常表现出激发依赖的发射，荧光QY为10%-30%。凭借此特性，可以使用荧光显微镜和体内成像系统追踪TCM-CDs的实时分布。一些具有共轭结构的TCM-CDs表现出光热转换效率和用于光动力疗法（PDT）的近红外（NIR）吸收带。
总的来说，TCM-CDs的主要生物学特征是优异的生物相容性和低毒性、改善的滞留和协同效应、靶向能力、可控释放以及诊疗一体化光学特性。
3. TCM-CDs的制备与纯化
3.1. 前体的选择
前体的选择显著影响这些纳米诊疗剂的性能和应用。目前，已建立了多样化的TCM-CDs前体筛选体系，涵盖植物药、动物药、矿物药和活性中药提取物。前体中存在的活性部分可以作为植物化学源CDs的表面掺杂剂得以保留，从而增强其固有的生物活性。
3.2. 生物质前体的预处理
鉴于中药前体显著的化学复杂性和批次间异质性，建立兼容、标准化的预处理策略成为确保TCM-CDs理化性质稳定性的核心前提。目前广泛采用的预处理方案主要分为两类：一步法和两步法。这种源头导向的标准化操作减少了合成过程中非功能性副产物的形成，也实现了前体与所得CDs纳米级性能之间的精确匹配。
3.3. 合成
对TCM-CDs日益增长的兴趣激发了对符合绿色化学、环境可持续性、低成本和设备简单原则的合成方法的广泛探索。TCM-CDs的一个独特优势是其合成过程中固有的自钝化能力。TCM-CDs的合成策略通常分为自上而下和自下而上两种方法。常见的自下而上方法包括水热合成、热解法、溶剂热合成和微波辅助合成。
3.3.1. 水热合成
水热法是制备TCM-CDs最广泛使用的策略。作为一种典型的“一锅法”绿色合成路线，该方法因其操作简便、反应条件温和、成本效益高而符合绿色化学原则。水热温度是决定碳化程度和TCM-CDs理化性质的关键因素。反应时间显著影响不同中药前体的碳化动力学。然而，水热法的特点是制备周期长。
3.3.2. 热解法
热解法是另一种非常有前景的TCM-CDs合成策略。该方法消除了有机溶剂或水性介质引入的残留杂质和潜在毒性，从源头上降低了毒性，并有效简化了后处理程序。热解的技术原理类似于传统“炭药”中使用的高温碳化。然而，已有研究表明，高温条件会导致热不稳定的生物活性物质降解或挥发损失。
3.3.3. 溶剂热合成
在机理上与水热合成相似，溶剂热合成通过引入多样化的液相反应环境，为TCM-CDs的精确结构调控提供了一种有前景的选择。在溶剂热合成中，溶剂既是一种高效的传热介质，也是一种关键的表面改性剂。尽管溶剂热法操作简便，但有机溶剂的潜在细胞毒性和完全去除残留溶剂的难度使纯化过程复杂化，并对TCM-CDs的临床安全性构成挑战。
3.3.4. 微波辅助合成
与上述传统合成方法相比，微波辅助合成提供了更高的效率和更强的环境可持续性。微波合成快速加热的特性最大限度地减少了热不稳定生物活性基团暴露于极端温度的时间。生姜源CDs的成功开发有力地证明了微波辅助策略用于制备生物活性纳米材料的可行性和高效率。尽管目前在工业放大方面存在挑战，但该方法在生产具有固有药理活性的高质量TCM-CDs方面具有巨大潜力。
3.4. 纯化
TCM-CDs作为一种新兴的碳纳米材料，展现出独特的光学性质和固有的生物活性。然而，中药前体固有的化学复杂性，加上热碳化的随机性，导致粗产物高度异质。TCM-CDs的纯化不是一个单一的操作，而是一个分层策略，旨在从宏观到分子水平精炼材料。最终，一个稳健的纯化方案对于确保观察到的药理效应和光学特征是CDs本身的固有属性，而非残留分子前体的假象至关重要。
3.4.1. 预处理步骤
预处理的目的是快速有效地从粗产物中去除固体杂质和大聚集体，以便于后续纯化。该阶段涉及溶解-萃取和离心-过滤。尽管离心过滤简单且在CDs纯化中被广泛研究，但传统方法在分离小至10 nm的纳米颗粒时效率低下。
3.4.2. 精制
预纯化的TCM-CDs溶液仍含有小分子杂质、离子种类和一些同系物。这些物质可通过其他方法进一步去除，如透析、柱色谱、电泳、旋转蒸发和精细级膜过滤。透析是一种经典技术，利用半透膜的选择性渗透性，根据分子量的差异将TCM-CDs与小分子杂质分离。柱色谱在TCM-CDs纯化中的应用依赖于固定相的分离原理。电泳根据各组分在外加电场下的电泳迁移率差异将TCM-CDs与杂质分离。旋转蒸发主要用于浓缩TCM-CDs溶液，同时去除挥发性溶剂或低沸点杂质。精细级微孔膜过滤使用比预处理中孔径更小的膜，以进一步去除TCM-CDs溶液中残留的细聚集体。
4. TCM-CDs的药理特性与临床转化
随着合成方法和前体选择技术的不断发展，TCM-CDs已逐渐成为一个集诊断与治疗于一体的多功能生物医学平台。其生物医学应用主要遵循两条途径：利用其丰富的表面官能团实现高效载药和递送；以及直接使用具有药理活性的生物质作为前体。与传统的化学合成CDs相比，TCM-CDs凭借其良好的生物相容性、可调的粒径和结构以及独特的“类药性”优势，在生物成像、病理检测和组织修复等方面展现出巨大的应用潜力。
4.1. 止血活性
由创伤、手术或组织损伤引起的失控出血仍是全球主要的死亡原因之一。在中医实践中，使用炭化药材止血已有两千多年的临床应用史。炭化中药因其多孔结构而发挥止血作用，而通过高温美拉德反应合成的TCM-CDs具有高度多孔的纳米结构，这些特性增加了吸附能力并改善了止血效果。植物源CDs的促凝血性能从根本上由其独特的表面电荷特性决定。因此，TCM-CDs作为急性创伤性出血的替代疗法具有相当大的潜力。
4.2. 抗炎作用
炎症是一个动态协调的过程，包括组织损伤、宿主反应和修复。慢性炎症失调是多种疾病的关键致病因素。尽管常规抗炎药物在临床治疗中有效，但其使用常因严重的不良事件而受限。TCM-CDs因其表面官能团在碳化后仍保留抗炎成分而受到关注，使其成为一种潜在的替代方法。TCM-CDs通过下调关键促炎细胞因子并抑制关键信号级联来发挥抗炎作用。
