作者：单飞狮
近日，西华大学王周玉教授与吉林大学杨柏教授、南京大学王乐勇教授合作，在国际学术期刊Angew.Chem.Int.Ed.（IF=17）上发表题为“Carbonized Polymer Dots as Versatile Nanocarrier for Bioincompatible Fluorophore Imaging”的研究论文(论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202525245)，报道了一种基于正交锚定策略的碳化聚合物点（Carbonized Polymer Dots,CPDs）纳米载体，成功实现了膜不可透过荧光分子的高效细胞递送与成像。
2004年,Scrivens课题组在电泳纯化单壁碳纳米管时，偶然获得了一些在紫外光下会发出明亮荧光且尺寸~2 nm的未知颗粒（J.Am.Chem.Soc.2004,126,40,12736–12737）。两年后,孙亚平教授课题组受半导体量子点的启发，正式为这类颗粒命名为碳点（CDs）（J.Am.Chem.Soc.2006,128,24,7756–7757）。至此，这类非计划中的偶然产物，却像藏宝图上的第一个标记，开启了一个全新的研究领域。
从2013年起，CDs的制备方法由“自上而下”地“破坏”大尺寸碳材料，使之逐渐变小，直至<10 nm，逐渐转为“自下而上”地由小分子、聚合物或生物质经由缩合/聚合反应、组装交联以及局部碳化的方式来构筑。其中，碳化聚合物点（Carbonized Polymer Dots, CPDs）就是在这样的研究背景下应运而生。直到2018年，吉林大学杨柏教授课题组经过多年的研究积累，首次对CPDs的结构特征进行详细阐述并正式命名（Chem.Eur.J.2018,24(44), 11303-11308；Small.2018,14(15),1703919.)。
本研究以柠檬酸/N-羟乙基乙二胺为原料，在不同温度下，制备了系列CPDs（图1），深入剖析该体系中产生的“副产物”小分子（HECA）与CPDs的收率平衡，并挖掘其核-壳结构中丰富的非共价相互作用位点，并基于此，将其开发成为一种广谱性的纳米载体，实现多种生物相容性不佳荧光团高效细胞递送与荧光成像的纳米载体。
图1. 荧光小分子（HECA）和碳化聚合物点（CPDs）的构筑及其核-壳结构示意图
研究初期，团队发现所制备的系列CPDs的荧光量子产率（PLQY）随合成温度升高（140 °C → 280 °C）而显著下降（21.9% → 1.7%），推测在较低温（~140 °C）条件下，体系中可能存在荧光小分子与CPDs的生成平衡。为此，团队在低温合成CPDs后，对透析袋外液进行收集浓缩，并计划后续纯化，令人欣喜的是，在锥形瓶底部析出了一些黄色晶体（图2），通过单晶衍射测试，解析出它的结构（图1），并将其命名为HECA（借鉴杨柏教授课题组2015年的经典工作：：J.Mater.Chem.C,2015,3,5976-5984）。
图2. 意外收获的HECA晶体的数码照片及其单晶结构
同时，研究团队发现HECA的PLQY高达39.4%，而低温（~140 °C）制备的CPDs-140也表现出最高的PLQY（21.9%）。这促使我们思考：CPDs-140是否会“抓住”HECA分子？通过后续组合谱学表征，该猜想得到了证实。进一步地，团队将HECA与高温制备的CPDs-280（其结构中已不含HECA，见图3b绿线）进行组装，发现二者可通过非共价作用形成稳定的复合结构（图3），负载率可达约50.8%。该结果为将CPDs-280开发为纳米载体奠定了重要理论基础。
图3. （a）HECA@CPDs-280和细胞成像的组装过程示意图。（b）HECA（蓝色）、HECA@CPDs280（灰色）和CPDs-280（绿色）的核磁共振氢谱。插图：在365 nm下的TLC分析。
值得一提的是，正当研究持续进行时，吉林大学杨柏教授受邀到访西华大学，参加第三届西华化学与生物医药论坛（图4）。期间，杨柏老师同实验室成员进行深入交流，对该研究进行了诸多有意的建议和持续的指导，使该研究成文奠定了良好的基础。
图4. 吉林大学杨柏教授与王周玉教授带领的西华大学碳点研究团队的合影
众所周知，荧光成像是对细胞进行非侵入性、实时且可视化监测的利器，大量的荧光分子因此被开发出来，为精确的细胞标记提供了巨大的潜力。然而，一个基本的困境仍然存在：部分具有优异发射性能的分子往往具有延伸的共轭和刚性的芳香骨架，通常这些染料具有疏水和膜不可渗透，严重限制了它们的生物学效用。传统的解决方法，包括聚合物封装或结构修饰，不仅使制备复杂化，而且有改变光物理性质的风险。基于此，研究团队认识到，开发一种无需共价缀合即可高效跨膜转运多种荧光团的通用递送平台至关重要，它将激活庞大的生物不相容荧光探针库，释放其应用潜能。
带着这样的思考，在王周玉教授和王乐勇教授的指导下，研究团队单飞狮仔细对比了王乐勇课题组发展的一类用于药物递送的超分子囊泡（J.Am.Chem.Soc.2013,135,28,10542–10549；J.Am. Chem.Soc.2014,136,30,10762–10769）与CPDs的异同，并结合正交自组装概念（Acc.Chem.Res.2014,47,7,2041–2051），最终锁定了CPDs核-壳结构中蕴藏的丰富非共价作用位点，逐渐形成“小分子→碳化聚合物点”的正交锚定策略（图5），并采用多种不同结构的细胞器靶向功能的小分子染料进行策略验证，原本细胞器靶向的固有定位信号，被CPDs重新导向细胞质，展现出载体主导的定位机制。
进一步的，研究团队精心选择了两种荧光染料 ESY（脂溶性）与 ESY-Na⁺（水溶性）。这两种染料单独使用时几乎无细胞荧光，而与 CPDs-280 非共价复合后，则表现出强烈的细胞内发光。该能力源于 CPDs 低聚物壳中丰富的正交锚定位点，无需化学修饰即可实现多模式分子结合与高效递送。最后，研究团队还在系列小鼠器官切片上验证了其高效递送与成像能力。
图5. 正交锚定策略：利用CPDs独特的核-壳结构来创建基于非共价相互作用的分子负载纳米载体，这导致相对于游离染料增强的细胞荧光成像，并证实了载体依赖性摄取。
总而言之，研究团队开发了一种CPDs基纳米载体，它充当通用“钥匙”，能够通过简单的非共价组装来解锁细胞对大量不可渗透的荧光团的摄取（图6）。这不仅代表了一种改进，也代表了一种概念上的突破，其结构多样的染料的有效递送证明了这一点。该研究提出了一种突破生物屏障的普适性策略，为大量因膜透性差而未获充分利用的高性能荧光探针打开了生物成像与诊疗应用的大门，有望推动荧光成像与药物递送领域的进一步发展。我们设想，通过合理设计与有效构筑，结构新颖、功能强大的CPDs纳米载体将“包罗万象”，带着包括但不限于小分子、纳米粒子、蛋白质，甚至更大尺度的物质，去往更加光明的未来！
图6. 正交锚定策略解锁CPDs作为有效的生物不相容荧光染料纳米载体的潜力。
该工作得到国家自然科学基金、四川省科技厅项目、以及江苏省创新支持计划支持。余孝其教授在文章的书写和修改方面提出了宝贵意见。特别感谢四川大学化学学院刘艳红女士与西华大学杨欢女士在样品分析方面的支持。
通讯作者简介：
王周玉，西华大学化学学科教授。四川省小分子靶向诊疗药物工程技术中心主任，四川省科技厅创新研究群体负责人，第九届四川省化学化工学会常务理事，第六届四川省科技青年联合会常务理事等。主要研究方向为功能活性小分子的创制、连续流微反应、碳纳米材料等。近几年主持或主研国家自然科学基金、四川省科技厅等项目20余项。发表相关论文90余篇，申请专利40余项。
杨柏，吉林大学化学学院教授，主要从事聚合物杂化与光功能材料研究；近年来连续入选爱思唯尔和科睿唯安高被引学者榜单；已指导博士毕业80余位、硕士毕业20余位；作为第一完成人两次获得吉林省科学技术一等奖，一次获得吉林省高等教育教学成果一等奖，2010年获国家自然科学二等奖；现为中国化学会会士，中国材料研究学会碳点功能材料分会主任委员。
王乐勇，南京大学有机化学和材料学科教授，西华大学客座教授。王乐勇研究组在超分子自组装及超分子智能材料方面取得一系列创新性成果，在国际学术期刊发表学术论文260余篇（H index: 63）；主编中文书籍1部, 英文专著2部，专著6章。
团队简介：
纳米碳点与超分子材料实验室（官网：https://www.x-mol.com/groups/zywang/）