南洋理工Yong Ken-Tye,深圳大学许改霞和NIH陈小元Chem. Rev.:用于生物学和医学的纳米碳:传感,成像和药物传递

南洋理工大学Yong Ken-Tye,深圳大学许改霞和NIH陈小元在这篇综述系统地概述了纳米碳材料的最新治疗应用,综合比较了不同碳纳米材料的特性,以及这些特性以及药代动力学和毒理学效应如何影响它们的治疗应用。

【引言】

纳米技术在生物医学研究中发挥着关键作用。纳米材料的物理和化学性质是独特的,并且由于其超小尺寸的范围(1至100nm)而与它们的大块对应物具有不同的性质。半导体量子点(QD)的发光特性已经广泛用于体外和体内成像,而金属纳米颗粒的强光学吸收峰对周围介质非常敏感,因此能够进行比色检测。在过去的几年中,由于纳米碳材料的低毒性,大规模生产的低成本以及多功能的表面功能化,纳米碳材料已成为各种生物学应用(如传感,成像和药物输送)的其他纳米材料的替代品。此外,碳是地球上最丰富的元素之一。纳米级碳的同素异形体包括0D富勒烯和碳纳米点,1D碳纳米管/纳米角和石墨烯纳米带,2D石墨烯和氧化石墨烯,以及3D纳米金刚石。在所有这些同素异形体中,石墨烯是在2004年由Andre Geim和Kostya Novoselov发现的。

许多纳米碳材料的一个持久挑战是它们的物理和化学性质不如竞争材料那么精确。它们不仅比有机染料等分子种类更不确定,而且与QD,贵金属纳米颗粒以及在生物医学应用中具有潜力的类似纳米结构相比也不太精确。这使得对他们的理解产生了不确定性,这些物理和化学现象定义了它们的表面状态,它们的表面可以被功能化的方式,以及它们的光致发光和其他性质的机制。因此,重要的是描述表征方法并理解纳米碳材料的物理性质和表面化学,以寻求监管部门批准其在各种应用中的使用。

此外,纳米碳材料的可调光学和电子特性,它们简单的合成技术,以及它们与各种配体和生物分子的通用功能化相容性,使得它们在体外和体内的生物传感,生物成像和药物递送中的应用都非常有用。虽然这些性质使它们在纳米医学领域备受关注,但是在我们预测它们在临床治疗中的成功之前,必须仔细研究和分析不同纳米碳材料的毒性效应,以及它们在各种组织和器官中的生物分布。为此,需要仔细和详细地反思影响内在毒性机制的因素。

【成果简介】

近日,南洋理工大学Yong Ken-Tye,深圳大学许改霞和NIH陈小元在这篇综述系统地概述了纳米碳材料的最新治疗应用,综合比较了不同碳纳米材料的特性,以及这些特性以及药代动力学和毒理学效应如何影响它们的治疗应用。该综述涵盖了基于各种纳米碳材料的体外和体内传感,成像和药物传递系统的研究亮点,旨在为研究人员选择和设计用于癌症治疗应用的工具。该成果以题为“Nanocarbons for Biology and Medicine: Sensing, Imaging, and Drug Delivery”发表在Chem. Rev.上。

【图文导读】

Figure 1.综述的概括

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Figure 2.用于体外传感的基于碳纳米材料的传感器的代表性图像

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(A)基于PNA-DNA杂交的基于晶体管的基于晶体管的传感的示意图,其中rGO实现了100 fM的检测极限。

(B)碳纳米角作为电化学传感器,用于检测人血浆和尿液中的纤维蛋白原,并通过安培法测量。图示了与碳酰亚胺化学的共价固定,以及使用HRP-抗纤维蛋白原的间接竞争性免疫测定,其中游离抗体与固定的分析物反应。

(C)基于FRET的比率式碳点传感器,用于量化水介质,血清和活细胞中的氢硫化物(H2S),检测限为10 nM。

Figure 3.用于检测CRP的基于石墨烯的CRET平台的示意图

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Figure 4.rGO-BiVO4纳米复合材料与过氧草酸盐化学发光自发光电池和数字万用表电路相结合

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(A-a)GOx催化时间的影响,(A-b)抗原 – 抗体反应时间

(B-a)GOx催化溶液的pH,和(B-b)PEC检测池中PBS的pH值对自发光的光电流的影响 PEC免疫测定(在该情况下使用0.5 ng / mL PSA)

(C)在(a)存在和(b)不存在外部电容器的情况下针对各种浓度PSA标准的自发光PEC免疫测定的校准曲线,和(D) 针对CEA(10 ng / mL),CA 125(10 U / mL),CA 15-3(10 U / mL)和甲胎蛋白(10 ng / mL)的PEC免疫测定的特异性

Figure 5.可调谐石墨烯中红外生物传感器

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(A)石墨烯生物传感器的概念视图。通过检测伴随对应于蛋白质的分子振动带的窄下降的等离子体共振光谱偏移(Δω)来实现蛋白质感测

(B)石墨烯纳米带阵列的SEM图像

(C)石墨烯纳米带阵列的AFM横截面

Figure 6.基于SWCNHs的荧光适体传感器,用于靶向检测凝血酶分子

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(A)氧化SWCNH作为适用于检测凝血酶的适体传感器的示意图。

(B)在各种浓度的凝血酶存在下,50nM染料-TA的荧光强度。插图是相对于凝血酶浓度绘制的F/F0,其中F和F0分别是具有和不具有凝血酶的荧光强度。

(C)在空白缓冲液中添加的适体传感器的荧光响应,缓冲液中的100nM BSA,缓冲液中的100nM IgG和缓冲液中的100nM凝血酶。

(D)柠檬酸盐官能化的上转换纳米颗粒-ssDNA的制备的示意图。

(E)使用基于LRET的检测使用柠檬酸盐官能化的上转换纳米颗粒-ssDNA和SWCNH用于检测急性早幼粒细胞白血病的示意图。

(F)多重柠檬酸盐官能化的上转换纳米颗粒-ssDNA-SWCNHs纳米平板与不同浓度的靶DNA的发光响应。

(G)在545nm处观察到的上转换发光强度与靶DNA浓度之间的线性关系。

Figure 7.CNHs与钛合金间接管结合,用于增强叶酸的PEC传感

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(A)在光照射下钛酸盐纳米管/CNHs/GCE结构上的电荷转移的示意图。

(B)电流密度和FA浓度的线性校准曲线。插图图像是基于时间的光电流响应的电流I-t曲线。

(C)选择性实验

Figure 8.基于碳量子点(CQD)的双模传感器,用于GSH的荧光和比色传感

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(A)使用双模式比色和荧光纳米传感器的GSH检测的示意图。

(B)由CQD诱导的聚集的AuNP的TEM图像,不添加GSH;

(C)通过添加CQD和GSH分散AuNP。

(D)CQD和AuNP的图像与从左到右的GSH浓度增加混合。

(E)从左到右,没有和添加GSH的CQD溶液和CQD和AuNP的混合物的图像。

Figure 9.用于多重目标检测的ssDNA-GO架构平台的示意图

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(A)在存在互补靶T3的情况下,P3与T3反应形成P3-T3复合物,其与GO表面分离,导致荧光“开”状态。

(B)P1通过探针-GO结构的形成呈现荧光“off”状态,但通过与凝血酶的相互作用切换到“开启”状态。

(C)在Ag+或Hg2+存在下,P4或P5自折叠形成稳定的C-Ag+-C或T-Hg2+-T结构,导致荧光“开”状态。然而,通过继续向上述溶液中加入半胱氨酸,C-Ag+-C或T-Hg2+-T结构被半胱氨酸和Ag+或Hg2+之间的Ag-S或Hg-S键破坏,转换为荧光“off”再次声明。

Figure 10.银纳米簇用于传感

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(A)在水溶液中DNA支架上制备银纳米团簇的示意图。

(B)使用AgNCs-GO纳米杂化材料进行无标记DNA检测的测定的示意图。

Figure 11.还原氧化石墨烯生物传感平台

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(A)还原氧化石墨烯生物传感平台的示意图。

(B)通过0.6%琼脂糖凝胶电泳分析滚环扩增产物。 每个反应在30℃下在60μL靶结合缓冲液(TBB:20mM PBS,150mM NaCl,20mM KCl,5mM MgCl2,pH 7.5)中进行1小时,所述靶结合缓冲液含有指示的rGO吸附的TP1组分(250)。 nM),环状DNA模板1(8nM)和凝血酶(Thr; 200nM)。

(C)在Thr(200nM),环状DNA模板1(8nM)或两者存在下,还原的GO-吸附的FAM标记的TP1(250nM)的时间依赖性荧光响应。λexem= 494/518nm。

Figure 12.DNA的检测

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(A)DNA检测程序的示意图。

(B)在存在不同量的DNA时,在652nm处的时间依赖性吸光度变化范围为0至200nM(0,0.5,1,2,5,8,10,20,50,80,100,200nM))。

(C)对应于10分钟间隔后各种浓度的DNA的吸光度的校准曲线。插图:线性图。

(D)在652nm处的时间依赖性吸光度,其中DNA-GH杂交体的相应上清液具有100nM T1,100nM T2和100nM T3。

(E)相应的吸光度直方图。

Figure 13.石墨烯金表面结构的设计

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(A)在金表面上沉积一层石墨烯的基本结构。为了在石墨烯-金界面上激发表面等离子体激元,光束通常穿过玻璃棱镜并从沉积在其一个刻面上的50nm金膜反射。

(B)先进的纳米粒子增强结构,使用Au纳米粒子作为SPR放大标签。

(C)共振单层石墨烯涂层Au传感膜的有限元分析(FEA)模拟:y分量中的电场,显示入射光的角度≈52°,并且在传感界面处具有清晰的渐逝场。

(D)共振球形Au NP耦合到单层石墨烯涂覆的Au感应膜的FEA模拟:用Au NP(直径为30nm,距感测膜的距离为5nm)的电导体的标准。

(E)沿着y = 0的总电场的截面图,具有不同数量的石墨烯层L.

Figure 14.HFs-GOx纳米复合材料在GCE表面上官能化并用一层壳聚糖膜钝化

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(A)HFs-GOx的结构。

(B)含有HFs-GOx的装置的结构,其用一层壳聚糖膜钝化。

(C)响应电流对葡萄糖浓度的图。

(D)Lineweaver-Burk图。

Figure 15.在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上制造和图案化rGO以构建FET传感器

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(A)在聚L-赖氨酸包被的rGO-PET装置上生长的PC12细胞的光学图像。

(B)PC12电池和rGO FET之间的界面的示意图。

(C)rGO-PET FET对由高K+溶液刺激的PC12细胞的儿茶酚胺的囊泡分泌的实时响应,Vds = 100mV和Vg = 0V。

Figure 16.葡萄糖传感器

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(A)RGO-GOx复合材料制造的示意图。

(B)含有不同葡萄糖浓度水平的氧饱和PBS中GCE/RGO-GOx的循环伏安图。

Figure 17.其他基于碳材料的传感器

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(A)与笔记本电脑或PDA互连的遥测设备的示意图。

(B)用富勒烯或纳米管官能化的传感器的示意图。

Figure 18.基于CQD的传感器

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(A)基于CQD的聚集和解聚的焦磷酸根阴离子和ALP活性的检测策略的示意图。

(B)随着Cu2+量的增加,CQD的荧光响应

(C)CQD和Cu 2+混合物随着焦磷酸根阴离子浓度增加的荧光响应。

Figure 19.肽功能化的GO作为荧光成像标记

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(A)使用GO-肽缀合物检测胱天蛋白酶-3的示意图。

(B)制备GO-肽缀合物的示意图。AFM和(C)GO和(D)GO-肽缀合物的高度分布。

Figure 20.石墨烯纳米探针

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(A)使用微波加热超声辅助工艺制备石墨烯纳米探针的示意图,以及丙烯酸和甲基丙烯酸荧光素的表面改性。

(B-G)对照(上排)和处理(下排)HeLa细胞的CLSM图像。

(B,E)是使用DAPI滤波器拍摄的核图像。

(C,F)是来自用FITC滤波器记录的石墨烯的绿色荧光图像。

(D,G)是核图像和绿色荧光图像的重叠图像。

Figure 21.多功能纳米探针

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(A)多功能纳米探针的制备示意图。

(B)活细胞的磁场引导SERS-荧光成像的示意图。

(C)荧光图像,(D)SERS图像,(E)亮场,和(F)来自用4ATP编码的纳米探针孵育的SKBR3细胞的SERS光谱。

(G)荧光图像,(H)SERS图像,(I)亮场,和(J)来自用4ATP编码的纳米探针孵育的MCF7细胞的SERS光谱。

Figure 22.CdSe/ZnS QDs在成像上的应用

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(A)描述SWNH与CdSe/ZnS QDs的缀合的示意图。

(A,B,D)在没有纳米探针的情况下RENCA细胞和与纳米探针孵育24小时后的相差图像。

(C,F)没有纳米探针的RENCA细胞与纳米探针孵育24小时后的荧光图像。在没有纳米探针的情况下重叠相差图像和荧光图像(C),并且在用纳米探针孵育24小时后重叠(F)。

Figure 23.细胞成像表征

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(A)通过DIC/epi荧光显微镜观察ND标记的Hela细胞的细胞周期的ND。细胞核用Hoechst 33342染色,红色发射来自ND。

(B)ND和羧基荧光素琥珀酰亚胺酯作为长期细胞追踪剂的比较研究。在不同的孵育时间内ND和CDSE孵育的3T3-L1细胞的流式细胞术结果。

Figure 24.碳点在成像上的应用

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(A)TEM图像和(B)CD的DLS分布。

(C)在不同波长(320-500nm)下激发时C点的激发依赖性。插图分别是在强光和UV照射下的C点溶液。

(D)用不同浓度的C点孵育6小时后2%红细胞的溶血率。

(E)用不同浓度的C点孵育24小时后C6细胞的细胞活力。

(F)使用C6细胞作为细胞模型,在不同时间细胞摄取不同浓度的C点。

(G)孵育15分钟和4小时后C-点与内体的亚细胞定位。

Figure 25.PEG-BPEI-rGO的应用

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(A)PEG-BPEI-rGO的合成和改性的示意图。

(B)在NIR照射下GO,PEG-BPEI-rGO和PEG-BPEI-rGO/DOX溶液的温度。

(C)在黑暗和NIR照射下用不同浓度的PEG-BPEI-rGO孵育的PC-3和HeLa细胞的细胞活力。

Figure 26.载药中的应用

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(A)描述在MWCNT-PVA上负载CPT的示意图。

(B)具有不同浓度的MWCNT-PVA和MWCNT-PVA-CPT的UV光谱。

(C)在不同浓度下用游离CPT,MWCNT PVA-CPT和GO-PVA-CPT培养的MDA-MB-231细胞的细胞活性。

(D)分别用和不用CPT的MWCNT-PVA和GO-PVA培养的MDA-MB-231细胞的细胞活性。

(F)用CPT,MWCNT-PVA-CPT和GO-PVA-CPT处理后的MDA-MP-231细胞的显微镜图像。

Figure 27.富勒烯基聚集体用于载药

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(A)具有双重癌症作用的富勒烯基聚集体的示意图。插图A是DOX-肼-富勒烯醇-FA-聚集体的HRTEM图像。插图B是HeLa细胞的荧光显微镜,其中DOX已从纳米载体释放。

(B)用DOX,DOX-腙-富勒烯醇-FA和DOX-腙-富勒烯醇颗粒处理的HeLa(上图),L929(中图)和A549(下图)的细胞活性。

Figure 28.载药中的应用

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(A,B)使用DLS测量的DCA-HPCHS,DOX/DCA-HPCHS,SWNH/DCA-HPCHS和DOX-SWNH / DCA-HPCHS的尺寸分布和吸收光谱。

(C,D)用SWNH/DCA-HPCHS和DOX-SWNH/DCA-HPCHS处理的4T1细胞的细胞存活率。

Figure 29.用染料标记的药物-DNA寡核苷酸对ND表面进行功能化,以实现多模式癌症治疗和增强抗癌效果

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(A)PTX-DNA/mAb@NDs的制备示意图。

(B)使用DLS测量的ND的流体动力学尺寸及其缀合物。

(C)使用流式细胞术分析对MCF7和MDA-B-231细胞中的PTX-DNA@ND和PTX-DNA/mAb@ND进行定量分析。

(D,E)用PTX,PTX-DNA@ND和PTX-DNA/mAb@ND处理48小时的MCF-7和MDA-MB-231细胞的细胞活性。

Figure 30.碳点在成像和载药中的应用

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Figure 31.多功能电荷可转换纳米复合材料的合成和受激响应的示意图

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Figure 32.SWCNT荧光纳米探针用于多模式体内成像引导光热治疗前哨淋巴结肿瘤

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(A)动物实验设计的示意图。

(B)在注射SWCNT-PEG后以不同间隔摄取的荷瘤小鼠的NIR II范围内的荧光成像。

(C)小鼠的红外热图像。

Figure 33.碳纳米管用于肿瘤治疗

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(A)描述自放大靶向系统机制的示意图。

(B)静脉内注射4mg/kg CMWCNTs-PEG并在施用后用808nm NIR激光处理的小鼠模型的肿瘤温度随时间的变化。

(C)在用4mg/kg MWCNT处理的荷瘤小鼠模型中作为NIR光照射时间的函数的红外热图像。

Figure 34.使用基于混合碳点的多功能治疗诊断纳米平台进行肿瘤特异性基因转移

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(A)在8小时后通过肿瘤内注射(左)和静脉注射(右)注射PPD@HPAP-CDs/pDNA后荷瘤小鼠的体内成像。

(B)静脉内注射不同制剂和定量分布分析后,在肿瘤组织中HPAP-CDs/ pDNA复合物积聚的离体成像。

(C)8小时后用不同制剂静脉注射后收获的主要器官的离体成像及其相应的荧光定量数据。PPD@HPAP-CDs/pTRAIL和其他制剂在携带MCF-7细胞的裸鼠Balb/c小鼠中的体内抗肿瘤研究(D)肿瘤体积分布和(E)平均体重变化。

(F)来自裸鼠的肿瘤组织图像。

【小结】

具有不同尺寸的纳米碳(例如,0D富勒烯和碳纳米点,1D碳纳米管和石墨烯纳米带,2D石墨烯和氧化石墨烯以及3D纳米金刚石)引起了对从电子,光电子学和光伏技术到感测,生物成像和治疗因其独特的物理和化学特性。其中,基于纳米碳的治疗学(即治疗和诊断学)是研究最深入的应用之一,因为这些纳米碳材料可作为优秀的生物传感器,用于体内特异性靶向的多功能药物/基因载体,用于癌症治疗的有效光热纳米剂,和有希望的荧光纳米纤维用于细胞和组织成像。本综述系统概述了纳米碳材料的最新治疗应用,综合比较了不同纳米碳材料的特性及其对治疗应用的影响。我们首先介绍了可用于治疗诊断应用的不同碳同素异形体及其各自的制备和表面官能化方法以及它们的物理和化学性质。通过突出显示方案和研究的生物系统,然后是毒性和生物降解性含义,在体外和体内系统中分别描述了治疗诊断应用。最后,本综述概述了纳米碳材料作为关键统一主题的设计考虑因素,这些主题将作为研究人员研究,研究和生成有效的,生物相容的,无毒的基于纳米碳材料的癌症治疗应用模型的基本第一原则。最后,我们总结了这篇综述,展望了使用纳米碳材料治疗难以治疗的癌症和其他疾病的挑战和新的治疗方案。本综述旨在根据纳米碳材料的具体要求,为纳米碳材料和生物医学研究人员提供纳米碳材料选择策略的综合指南。

Nanocarbons for Biology and Medicine: Sensing, Imaging, and Drug Delivery

(Chem. Rev., 2019, DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00099)

许改霞,博士,教授,博士生导师,广东省“特支计划”百千万工程青年拔尖人才,深圳市地高层次专业人才-地方级领军人才,广东省生物物理学会理事。主要从事生物光子学和纳米医学研究,近年来主持国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目8项;研究成果发表在Advanced Materials, Chemical Reviews等国际知名杂志,共发表论文80余篇,被引1300余次;获得广东省科学技术奖自然科学奖三等奖、深圳市科学技术奖自然科学奖二等奖、南粤科技创新优秀学术论文奖三等奖。

研究方向

1. 荧光纳米材料的生物医学应用研究

2. 新型显微成像方法的生物医学研究

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