南京大学王乐勇,吉林大学杨柏,西华大学王周玉:碳化聚合物点作为生物不相容荧光团成像的多功能纳米载体

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原文链接：10.1002/anie.202525245

具有优异发射性能的荧光团往往以细胞渗透性为代价，这一长期存在的困境在一定程度上限制了它们在荧光生物成像中的有效应用。

南京大学王乐勇，吉林大学杨柏，西华大学王周玉团队报道了一项具有范式转变意义的发现：碳化聚合物点（CPDs）可作为一种多功能、非共价转运平台，适用于多种原本无法穿透细胞膜的荧光团。我们的研究始于一项偶然观察：一种新分子 1-（2 - 羟乙基）-5 - 氧代 - 1,2,3,5 - 四氢咪唑并 [1,2-a] 吡啶 - 7 - 羧酸（HECA）通过非共价相互作用与碳化聚合物点（CPDs-280）形成稳定且具有细胞渗透性的纳米复合物（负载量约 50.8%）。这一发现促使我们开展系统研究，结果表明 CPDs-280 能够显著覆盖多种细胞器特异性染料的固有靶向信号，将它们重新导向细胞质，并展现出一种由载体主导的定位机制。通过递送定制设计的膜不透性两亲性染料（ESY-Na⁺和 ESY），我们严格证实了该平台的通用性 —— 这些染料单独使用时无活性，但在非共价复合后会产生强烈的细胞内发光。这种强大的、不依赖载体的递送能力源于 CPD 表面丰富的正交锚定位点，能够实现多模式结合而无需化学修饰。本研究揭示了一种突破生物屏障的通用策略，可立即解锁大量未被充分利用的荧光探针，用于先进的生物成像和诊疗一体化。相关研究成果发表于《Angewandte Chemie International Edition》上。

核心结论

• 碳化聚合物点（CPDs-280）是一种具有范式转变意义的纳米载体平台，可通过适应性超分子共组装，对不同化学性质的荧光团进行多功能递送，无需共价结合。

• CPDs-280 利用正交非共价相互作用，能够自发负载多种染料（包括疏水性荧光团 HECA、细胞器靶向染料及合成两亲性物质 ESY-Na⁺/ESY），覆盖其固有靶向信号并将其定位于细胞质，解决了荧光团性能与生物相容性之间长期存在的权衡问题。

• 该纳米载体可有效突破生物屏障，在细胞成像和组织成像中显著增强荧光信号，提升成像均匀性和对比度，为原本无法递送的生物分子提供了应用可能，适用于体外细胞成像和离体组织病理学分析。

• 该平台的 “通用性” 可能受限于荧光团尺寸（如超过 CPDs 直径的超大荧光团适用性需进一步研究），未来需系统设计 CPD 基纳米载体并深入探究其体内生物相容性和代谢命运。

佐证方法

• 合成与表征：以柠檬酸（CA）和羟乙基乙二胺（HEEDA）为原料，在不同温度（140-280℃）下合成 5 种 CPDs（CPDs-140至 CPDs-280），通过透析纯化分离 CPDs 和 HECA，利用 ¹H NMR、稳态光谱、荧光寿命分析等手段表征其结构和相互作用。

• 负载与性能测试：通过温和搅拌实现 HECA、细胞器特异性染料、ESY-Na⁺/ESY 与CPDs-280 的非共价组装，采用 TLC、¹H NMR 定量分析负载量，测试组装体的光致发光量子产率（PLQY）和生物相容性（细胞存活率检测）。

• 成像验证：利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），分别在 HepG2 细胞和小鼠心、肝、脾、肺、肾组织切片中，对比游离染料与 CPDs-280 组装体的荧光成像效果，验证递送效率和成像性能。

• 机制探究：以 Fe³⁺为探针，通过吸收光谱、荧光寿命分析揭示 HECA 与 CPDs-220 的相互作用机制（静态猝灭 vs 动态猝灭），明确非共价锚定模式。

图文说明

方案 1：a）基于 CPDs 的纳米载体共价策略：将分子负载到 CPDs 上的传统共价修饰策略及当前面临的挑战；b）我们的正交锚定策略：利用 CPDs 独特的核 - 壳结构构建高效非共价负载纳米载体，相较于游离染料增强细胞荧光成像效果，证实载体依赖性摄取。

图 1：a）HECA和 5 种CPDs（CPDs-140 至 CPDs-280）的制备示意图及产率与反应温度的关系；b）HECA、CPDs-220 和CPDs-280 的 ¹H NMR 光谱；c）添加 Fe³⁺后 HECA 和 CPDs-220 的平均荧光寿命；d）添加 Fe³⁺后 HECA 和CPDs-220 的雅布隆斯基图。

图 2：a）HECA@CPDs-280的组装过程示意图及细胞成像流程；b）HECA（蓝色）、HECA@CPDs-280（灰色）和 CPDs-280（绿色）的 ¹H NMR 光谱（插图：365 nm 紫外光下的 TLC 分析，展开剂：正丁醇：水: 冰醋酸 = 3:1:1，体积比）；c）HepG2 细胞与 HECA、CPDs-280 和 HECA@CPDs-280（50 μg/mL，激发波长 405 nm，发射波长 415-500 nm）孵育后的共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像（比例尺 10 μm）；d）图 c 的荧光强度定量结果。

图 3：a）4种商用细胞器染料（Lyso-Tracker Red、DilC₁₈(3)、Mito-Tracker Red、ER-Tracker Red）的结构；b）染料与 CPDs-280 通过正交非共价相互作用共组装的示意图及组装体（Dyes@CPDs-280）冻干前后的数码照片；c）染料与 CPDs-280 的逻辑关系图：组装前游离染料呈细胞器特异性聚集，组装后所有染料均被导向细胞质；d）HepG2 细胞与 DilC₁₈(3) 或 Mito-Tracker（50 μg/mL）及其组装体孵育后的 CLSM 图像（激发波长 561 nm，发射波长 580-650 nm，比例尺 10 μm）。

图 4：a）ESY@CPDs-280相较于游离 ESY 或ESY-Na⁺增强细胞摄取的推测机制；b）HepG2 细胞与 ESY/ESY-Na⁺、ESY@CPDs-280 和 ESY-Na⁺@CPDs-280（50 μg/mL，激发波长 488 nm，发射波长 500-650 nm）孵育后的 CLSM 图像（比例尺 10 μm）；c）图 b 的荧光强度定量结果；d）用于荧光成像的小鼠组织切片制备流程示意图（包括组织处理、ESY@CPDs-280 染色、组织透明化及 CLSM 荧光成像）；e）5 种小鼠器官（心、肝、脾、肺、肾）分别与 ESY/ESY-Na⁺、ESY-Na⁺@CPDs-280 和 ESY@CPDs-280 孵育后的 CLSM 图像（从上至下，50 μg/mL，激发波长 488 nm，发射波长 500-650 nm，比例尺 50 μm）；f）图 e 的荧光强度定量结果。

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