石墨烯量子点在神经退行性疾病中的治疗应用：蛋白聚集调控与小胶质细胞状态作为治疗靶点

《Nanomaterials》：Graphene Quantum Dots in Neurodegeneration: Protein Aggregation and the Microglial State as Therapeutic Targets

　　

摘要专业翻译 石墨烯量子点（Graphene Quantum Dots, GQDs）构成碳纳米材料家族中的零维成员，兼具高效穿越血脑屏障（Blood–Brain Barrier, BBB）的能力与可精确调控的表面化学性质，作为在同一颗粒中同时承载诊断与治疗功能的诊疗一体化平台而受到关注。尽管各类神经退行性疾病分别源于不同的致病蛋白，但它们在病理层面汇聚于共同的通路：神经元蛋白的异常蓄积，以及由小胶质细胞和星形胶质细胞等胶质细胞病理性活化所驱动的慢性神经炎症。GQDs通过单体捕获以延迟成核、阻断生长纤维末端、以及穿透并拆解成熟纤维等方式调控蛋白聚集，上述机制已在多种蛋白聚集模型中得到验证。在聚集调控之外，杂原子掺杂与表面功能化设计使GQDs能够清除活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）并调节自噬通路，从而减轻病理性小胶质细胞活化的标志物。可调谐发射特性同时支持病理负荷成像与体液生物标志物的高灵敏度检测，为治疗与诊断功能的整合提供了支撑。然而，GQDs的生物活性本质上具有双刃剑效应：取决于组成与浓度，同一材料在小胶质细胞和巨噬细胞中可能诱导线粒体氧化应激与铁死亡（ferroptosis），而非发挥抗氧化作用。因此，关键挑战仍在于：通过精确的表面功能化将抗炎功效与毒性相分离、确保批次间可重复性、建立标准化的理化表征报告体系，以及定量界定治疗窗口。

论文主体内容专业总结

1. 引言

1.1 纳米材料的生物医学应用

药物治疗仍是现代医学疾病管理的基石。天然产物及其衍生物在获批新药中仍占相当比例。与此同时，向个体化精准医疗的转变使纳米技术成为关键赋能手段。纳米材料通常定义为尺寸在1至100 nm范围内的材料，在此尺度下其单位质量表面积急剧增加，并涌现出块体材料所不具备的独特物理化学行为。其生物医学应用沿三个方向展开：靶向递送、高灵敏度传感与对比成像、以及支持细胞生长和组织再生的生物相容性支架。在众多纳米材料类别中，碳基材料在生物医学研究中进展最为迅速，依据碳键构型与结构维度分为零维富勒烯和碳量子点、一维碳纳米管以及二维石墨烯和氧化石墨烯。然而，生物相容性因具体材料及其表面化学而异，不能假定整个家族均具有低毒性。纳米医学转化面临的根本挑战在于：临床前成功结果不能可靠转化为临床疗效，主要原因在于纳米颗粒在循环中获得生物身份与其设计身份不同，仅凭理化表征无法预测体内行为。本综述将GQD明确定义为结晶性、sp²键合的石墨纳米颗粒，横向尺寸约20 nm或更小，并保持片状石墨晶格。

1.2 GQDs的发现及其生物医学应用

碳纳米科学进展与新型碳同素异形体的发现密切相关。1985年激光蒸发法首次揭示C60富勒烯，1991年碳纳米管问世，2004年Novoselov和Geim通过机械剥离法分离出单层石墨烯并表征其电学行为。将石墨烯片横向尺寸缩小至约20 nm以下即转化为GQDs，此时量子限域效应显现，打开了本征石墨烯所缺乏的能带隙，赋予其吸收光和发射特征荧光的性质。GQDs最早的生物医学应用利用其光学性质进行高分辨率生物成像。与有机荧光染料存在明显光漂白、镉基量子点存在重金属离子泄漏毒性相比，GQDs兼具强光稳定性与相对较低的细胞毒性。近期研究还探索了其作为药物载体、光热和光动力治疗剂以及神经退行性疾病相关蛋白聚集调节剂的应用。文献中GQDs常与碳点、氧化石墨烯量子点和碳纳米洋葱混淆。GQDs特指保留sp²键合石墨晶格为结晶性片状、仅缩小横向尺寸的结构，区别于具有无定形碳核的碳点。由于合成路线和命名应用不一致，同名材料常呈现不同性质，跨研究比较需逐一仔细评估所报告的理化数据。

1.3 神经退行性疾病的共享病理机制

人口老龄化驱动的寿命延长使神经退行性疾病患病率显著上升。全球痴呆症患者预计将从2019年的约5740万增至2050年的1.528亿。AD、PD、ALS和HD以进行性神经元丢失为特征，主要由Aβ、tau、α-突触核蛋白、TDP-43和亨廷顿蛋白等神经元蛋白的错误折叠和病理性聚集驱动。病理性蛋白聚集是神经炎症的关键触发因素。小胶质细胞作为中枢神经系统的常驻巨噬细胞样细胞，已成为疾病进展的关键介质。在稳态下小胶质细胞通过修剪突触和清除碎片维持脑完整性，但随着聚集体积累，它们转变为疾病相关小胶质细胞状态，分泌炎性细胞因子、通过补体通路过度清除健康突触，并诱导神经毒性反应性星形胶质细胞状态，加速神经元死亡。小胶质细胞曾被二分法划分为促炎M1和组织修复M2表型，但单细胞转录组学表明它们并非两种固定状态，而是随疾病和衰老进程沿连续谱转变，因此已提出基于状态的命名法取代M1/M2二分法。

1.4 当前治疗策略的局限性

神经退行性疾病药物开发历史受限于单靶点思维。在AD中，尽管靶向Aβ的单克隆抗体已获批并显示病理标志物减少和认知衰退减缓，但临床效果仍有限，且存在安全性问题如淀粉样蛋白相关成像异常和静脉给药负担。在PD中，多巴胺替代仅缓解症状而不改变病程，靶向α-突触核蛋白的抗体未显示显著临床疗效。造成这些不足的共同因素有三：抗体分子量大导致血脑屏障转运效率极低；主要作用于细胞外聚集体，对细胞内聚集体或已形成的成熟纤维几乎无效；无法同时应对蛋白聚集和神经炎症两条病理轴。因此需要一种能穿越血脑屏障、进入细胞、并将聚集体拆解与免疫调节相结合的材料，GQDs的小尺寸和可调表面化学使其极具吸引力。

2. GQDs的结构、合成与生物学行为

2.1 结构、性质与合成路线

GQDs作为源自石墨烯片的零维碳材料，展现出由量子限域和边缘效应产生的独特光学和物理特性。这些特性可通过改变含氧基团密度、掺杂氮硫硼等杂原子以及定制边缘结构来工程化。其光致发光源于多种机制的复杂相互作用而非单一来源，包括量子限域、缺陷、边缘态、表面官能团和分子荧光团等竞争性通路。合成策略分为自上而下和自下而上两大类。自上而下方法将石墨、氧化石墨烯、碳纤维和碳纳米管等大尺寸碳前体通过酸辅助超声、溶剂热、电化学剥离或氧化裂解碎裂为纳米级颗粒，较适合量产但尺寸控制精度不足。自下而上方法从小分子前体如柠檬酸、葡萄糖和氨基酸通过碳化、热解或逐步有机合成制备GQDs，对尺寸和组成控制更佳且利于杂原子掺杂，但工艺复杂、放大困难。合成条件如温度、pH、前体浓度、反应时间和掺杂引入方式决定GQDs的尺寸和表面性质，进而直接影响生物学行为。为实现有意义的跨研究比较，需建立标准化表征框架：初级粒径应通过HR-TEM和AFM测定而非DLS推断，zeta电位必须注明测量pH和离子强度，同时全面报告表面化学、拉曼D/G比、量子产率以及金属和内毒素等残留污染物。

2.2 生物环境中的行为

现有研究一致表明GQDs的生物学行为由其理化性质决定。尺寸对血脑屏障穿越和细胞摄取尤为关键，肾排泄也强烈依赖尺寸。镉基量子点研究中量化的5.5 nm水合动力学直径阈值仅适用于刚性球形结构，GQDs具有片状几何、可变形性和富氧表面等根本不同特征，该值仅应视为数量级参考而非直接适用阈值。表面电荷和官能团决定体内蛋白相互作用、生物膜结合和靶标生物分子识别。纳米颗粒暴露于血浆时形成蛋白冠，掩盖预期表面功能。GQDs的π电子共享和含氧基团赋予的氧化还原活性使其能直接参与电子转移反应并清除活性氧。GQDs在生物介质中的胶体和化学稳定性是表征中被忽视的方面，在经历不同pH和氧化还原环境时易发生从静电驱动聚集到石墨核实际降解的结构变化，可能导致荧光猝灭，信号下降不能盲目等同于清除。

2.3 血脑屏障转运与药代动力学

GQDs应用于中枢神经系统的首要决定因素是血脑屏障转运，其机制由尺寸、表面电荷和疏水性共同决定。横向尺寸低于10 nm且疏水性优化的颗粒可通过被动跨细胞扩散穿越屏障，配体功能化版本利用受体介导的转胞吞作用。即使有转铁蛋白等靶向配体，体内形成的蛋白冠仍可掩盖配体-受体识别并降低转运效率。进入循环后，蛋白冠形成导致的流体动力学直径膨胀迅速超过完整血脑屏障紧密连接的物理孔径，排除细胞旁扩散并空间阻碍受体介导转胞吞。同时，调理素作用将摄取转向清道夫通路并加速网状内皮清除，显著缩短全身半衰期。吸附的蛋白层还钝化石墨晶格，空间阻碍结合和去稳定致病蛋白聚集体所需的π-π和静电接触。鼻内给药通过嗅觉和三叉神经通路被提出为替代全身给药的途径。GQD设计需要在有利于血脑屏障转运的尺寸范围和肾排泄所需尺寸之间取得平衡，这一平衡对治疗窗口宽度起关键作用。

3. 基于GQDs的神经退行性疾病治疗策略

3.1 致病蛋白聚集的直接调控

氧化石墨烯利用其二维片状结构的大疏水表面和密集含氧基团作为淀粉样成核抑制剂，通过捕获单体和寡聚体阻止纤维生长，但存在非特异性血浆蛋白吸附、维度与表面电荷条件可能从抑制转为促进聚集、以及二维片状物理尺寸难以精确控制体内蓄积和长期生物分布等结构局限。GQDs通过π-π堆积和疏水相互作用参与蛋白聚集调控，但零维形态赋予其独特作用模式。其调控淀粉样聚集的机制分为三类：单体捕获延迟成核；结合生长纤维末端阻断延伸；插入成熟纤维β-折叠层间扰动氢键网络并提取肽段诱导解离。此外，近期发现对液-液相分离阶段的干预可阻止病理性凝聚物形成，该机制已在TDP-43中得到证实。各机制相对贡献取决于靶蛋白和表面化学：含氧基团密度决定静电相互作用，卤素掺杂调节核转位和相分离控制，手性表面排列实现立体选择性结合。对α-突触核蛋白，GQDs抑制纤维化、诱导成熟纤维解离并在动物模型中减轻神经元死亡和突触丢失。对Aβ，GQDs的内在抑制效果可通过与曲米沙酸偶联协同增强，氮掺杂改变抗淀粉样效力。对tau，仿生石墨烯纳米颗粒阻断细胞间传播。对TDP-43，卤素掺杂GQDs穿越核膜调节核内聚集和相分离，并减轻运动神经元中应激颗粒介导的胞质聚集。在尼曼-匹克C型模型中也报告了有利效果。目前尚无涉及人类受试者的临床数据。机制证据分级为：直接证明需高分辨率结构数据；推断来自系综平均测定；预测来自计算模拟。对亨廷顿蛋白的直接相互作用研究明显缺失，多聚谷氨酰胺扩增驱动的聚集动力学不同于Aβ或α-突触核蛋白，在HD和其他多聚谷氨酰胺疾病中的验证仍是未来研究的重要空白。

3.2 病理性小胶质细胞活化及其作为治疗靶点的意义

小胶质细胞导向策略引起兴趣基于三点考虑：小胶质细胞活化是不依赖于特定疾病的病理标志，原则上可适用于多种疾病；疾病相关小胶质细胞状态并非不可逆终点而是可逆的转录转变；小胶质细胞位于神经元损伤上游，调节该节点可广泛影响下游病理。然而，由于小胶质细胞状态构成连续谱，选择性调整单一状态在技术上具有挑战性，必须在缓解病理活性的同时不损害稳态功能。

3.3 GQDs对小胶质细胞状态的调节

GQDs调控病理性小胶质细胞状态的作用模式分为三类。第一是活性氧清除及下游炎症信号抑制：氮或卤素掺杂的GQDs中和细胞内活性氧，作用于NF-κB和NLRP3炎症小体通路上游。第二是通过诱导自噬实现聚集体清除：激活细胞内自噬通路促进TDP-43聚集体等病理物质清除，降低驱动疾病相关小胶质细胞转化的上游刺激，但治疗获益与自噬性细胞死亡毒性源于同一通路，诱导强度需谨慎控制。第三是细胞状态调节：在尼曼-匹克C型模型中，GQD处理减少小胶质细胞活化并伴随功能恢复。现有文献的常见局限在于使用Iba1免疫反应性和细胞因子释放等一般炎症指标评分活化状态，而未在转录水平解析小胶质细胞状态转变。在实验性自身免疫性脑脊髓炎模型中，腹腔注射GQDs导致其在淋巴结和中枢神经系统细胞中蓄积，有效减轻炎症反应。本综述将这些转变框架化为稳态基因表达恢复而非表型间的二分转换。

3.4 诊断成像应用与诊疗一体化整合

氮掺杂GQDs将Aβ结合能力与荧光相结合，实现蛋白聚集体成像。粒径7.4 nm、量子产率57.3%的氮掺杂GQDs在250 μg/mL浓度下仍保持高光稳定性且细胞毒性低于10%。电化学和荧光GQD传感器可检测α-突触核蛋白、磷酸化tau和神经丝轻链等体液生物标志物，支持早期诊断和治疗反应监测。将诊断能力整合入同一执行聚集体拆解和小胶质细胞调节的纳米结构中，GQDs即成为诊疗一体化平台。两大挑战仍存：治疗窗口尚未量化；荧光组织穿透深度有限，需将发射移至近红外区域用于临床应用。

3.5 安全性与毒性特征及治疗窗口

GQD临床转化的最大障碍是治疗窗口尚未被测定。报告的作用机制分为两个层面。细胞层面：原始GQDs暴露诱导谷胱甘肽耗竭和脂质过氧化驱动的铁死亡，氮掺杂GQDs引起线粒体氧化应激伴钙稳态破坏，处理细胞表现出胞质铁过载伴GPX4和SLC7A11下调，Fer-1预处理可有效预防该细胞毒性。此外还报告了经p38 MAPK通路的凋亡和炎症反应以及蓝光照射下的自噬性细胞死亡。有机体层面：氨基化GQDs在斑马鱼脑组织中蓄积并诱导持续至少14天的焦虑样和攻击行为，且仅氨基化材料在100和200 μg/mL时阻止胚胎发育并降低存活率。表面官能团身份、浓度、暴露持续时间和掺杂元素被确定为毒性关键决定因素。羟基化材料在100 μg/mL时引起显著细胞死亡，而羧基化和氨基化材料在测试浓度范围内无细胞毒性。羧基化GQDs以5和10 mg/kg给药小鼠21天未造成器官损伤。GQDs的抗氧化和促氧化双重行为源于同一π体系和含氧官能团内的电子差异而非材料类型差异：低缺陷密度和丰富酚基与羧基有利于自由基清除，而边缘和空位缺陷引入中间隙态促进促氧化氧反应。由于功效和毒性在不同材料、模型和终点中测量，无法在共同基础上计算安全边际。未来研究应在同一合成批次内并行测量抗炎功效和铁死亡诱导以数值量化治疗窗口。

4. 讨论

与已确立的抗体疗法相比，GQDs的显著特征在于其作用位点。靶向Aβ的抗体促进小胶质细胞介导的细胞外聚集体清除，但血脑屏障转运效率低且几乎无法接触细胞内蛋白聚集体。GQDs则通过尺寸和疏水性驱动的被动扩散穿越屏障，到达细胞内甚至核内位点，在相分离阶段调控聚集。两种方法作用于互补位点，可被视为联合治疗候选而非竞争者。必须指出，抗体疗法基于3期临床证据，而GQDs仍处于临床前阶段。目前所有证据均来自无细胞测定、细胞系和动物模型，尚无GQDs用于神经退行性疾病的人体数据。Lecanemab和donanemab等靶向淀粉样斑块的抗体疗法已进入商业化阶段，而碳点、氧化石墨烯、脂质/聚合物纳米颗粒和细胞外囊泡等纳米医学平台尚未获得神经退行性疾病的上市许可。在材料家族内部，氧化石墨烯和GQDs应被理解为互补角色而非替代关系。从治疗靶点角度看，病理生理框架从神经元丢失扩展到神经炎症和微环境控制赋予了GQDs免疫调节能力新意义。功效与危害源于同一潜在性质，分离功效与伤害需要表面官能团的精密设计。本综述的局限包括：治疗效果证据主要基于无细胞和动物实验；跨研究理化报告未标准化；阴性结果很少发表，不能排除发表偏倚。未来研究优先事项包括：建立标准化理化报告体系；在患者来源诱导多能干细胞分化的人源模型和脑类器官中验证发现；在同一批次内并行测量有效和毒性浓度以数值表达安全边际；探索GQDs聚集体拆解功能与抗体疗法细胞外清除功能的联合策略；通过放射性标记或定量质谱获取纵向生物分布和排泄数据。

5. 结论

GQDs结合血脑屏障通透性、可调表面化学和氧化还原活性三大特性，同时干预蛋白聚集和神经炎症。与二维氧化石墨烯不同，GQDs对α-突触核蛋白、Aβ、tau和TDP-43的纤维拆解以及液-液相分离提供精确调控。同时，通过杂原子掺杂实现活性氧清除和自噬调节，减轻病理性小胶质细胞活化标志物，指向脑免疫微环境控制。GQDs的临床价值将更多取决于表面工程化的精细程度和研究优先事项的严格执行，而非新功效的发现。一旦这些条件得到满足，GQDs有望超越单靶点治疗，成为同时控制病理蛋白和脑免疫微环境的平台。