《Nature Communications》：Engineering NIR-II carbon dots through aniline extension with graphene and nitrogen enrichment for hepatobiliary theranostics
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本文針對近紅外二區(qū)（NIR-II）碳點在合成與發(fā)光機(jī)制上存在的挑戰(zhàn)，介紹了一項通過構(gòu)建對苯二胺衍生的擴(kuò)展苯胺框架，成功制備出發(fā)射波長在480–1265 nm可調(diào)諧碳點（CDs-1, -2, -3）的研究。研究發(fā)現(xiàn)NIR-II紅移源于增強的分子偶極矩、前體電子受體能力、石墨烯域累積及吡咯氮摻雜的共同作用。其中CDs-3在膽囊成像中展現(xiàn)出15 mm穿透深度（vs. ICG 2 mm）、1.44信噪比和334.5 μm分辨率，可精確監(jiān)測膽道狹窄/滲漏。經(jīng)硒摻雜功能化的復(fù)合材料（CDs-3@pPB）在肝纖維化模型中顯示出活性氧清除與診療一體化功效。該工作闡明了碳點發(fā)射紅移至NIR-II的機(jī)制，并構(gòu)建了具有重要臨床潛力的肝膽診療一體化納米平臺。
在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，穿透深度和分辨率是永恒的追求。目前臨床常用的可見光或近紅外一區(qū)（NIR-I）熒光成像技術(shù)，由于組織對光子的強烈吸收和散射，其“視線”往往難以抵達(dá)身體深處，限制了其在深層組織病變檢測中的應(yīng)用。而波長更長的近紅外二區(qū)（NIR-II, 1000-1700 nm）窗口，因其顯著降低的光子散射和組織自發(fā)熒光，為實現(xiàn)高對比度、高分辨率的深層組織成像帶來了曙光。在眾多NIR-II探針中，碳點（Carbon Dots, CDs）因其優(yōu)異的光學(xué)性能、良好的生物相容性和易于功能化等優(yōu)點備受關(guān)注。然而，如何精準(zhǔn)、可控地合成出具有強NIR-II發(fā)射的碳點，并深入理解其發(fā)光紅移的內(nèi)在物理化學(xué)機(jī)制，仍是該領(lǐng)域亟待攻克的關(guān)鍵科學(xué)問題。此外，開發(fā)兼具高效成像與治療功能的“診療一體化”納米平臺，對于實現(xiàn)疾病的精準(zhǔn)診療具有重大意義。肝膽系統(tǒng)疾病，如膽道狹窄、膽漏和肝纖維化，其病灶位置較深且解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，急需高穿透、高分辨的成像手段進(jìn)行精確診斷，并輔以有效的干預(yù)策略。正是為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，一項發(fā)表于《Nature Communications》的研究應(yīng)運而生，旨在闡明碳點發(fā)射紅移至NIR-II的機(jī)制，并構(gòu)建一個服務(wù)于肝膽疾病的新型診療一體化納米平臺。
為了開展這項研究，研究人員綜合運用了材料合成、理論計算、光譜學(xué)表征及多模型生物評價等技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)方法包括：基于對苯二胺（p-phenylenediamine）前體，通過構(gòu)建擴(kuò)展苯胺框架可控合成系列碳點；運用密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）計算分析電子結(jié)構(gòu)和能隙；通過多種光譜學(xué)與顯微技術(shù)（如X射線光電子能譜、透射電鏡、熒光光譜等）系統(tǒng)表征碳點的結(jié)構(gòu)、組成與光學(xué)性質(zhì)；構(gòu)建大鼠膽囊及膽總管插管模型進(jìn)行NIR-II活體成像，評估成像深度、信噪比和分辨率；建立四氯化碳誘導(dǎo)的大鼠肝纖維化模型，評估功能化復(fù)合材料的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）清除能力與治療效果。
通過構(gòu)建擴(kuò)展苯胺框架實現(xiàn)碳點發(fā)射光譜從可見光到NIR-II的可調(diào)諧
研究人員以對苯二胺為起始原料，通過調(diào)控反應(yīng)路徑，構(gòu)建了三種不同延伸程度的苯胺基框架作為前體，進(jìn)而合成出三種碳點（CDs-1, CDs-2, CDs-3）。光譜表征顯示，這三種碳點的最大熒光發(fā)射峰分別位于約630 nm（紅光）、約810 nm（NIR-I）和約1064 nm（NIR-II），成功實現(xiàn)了從可見光到NIR-II區(qū)的寬譜帶、可調(diào)諧發(fā)光。
結(jié)構(gòu)分析與理論計算揭示NIR-II紅移源于多重因素的協(xié)同作用
為了探究發(fā)射波長紅移的機(jī)制，研究團(tuán)隊結(jié)合結(jié)構(gòu)分析與密度泛函理論計算進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，NIR-II紅移并非單一因素所致，而是多重因素協(xié)同驅(qū)動的結(jié)果：首先，前驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展增強了分子偶極矩和電子受體能力，降低了激發(fā)態(tài)能量；其次，在碳化聚合過程中，石墨烯（graphene）域的累積和吡咯氮（pyrrolic nitrogen）的摻雜，進(jìn)一步縮小了碳點的能隙（energy gap）。這些因素的共同作用，最終將碳點的熒光發(fā)射推入了NIR-II窗口。
CDs-3在活體膽道系統(tǒng)中實現(xiàn)高穿透、高分辨成像
在應(yīng)用驗證層面，研究選擇了發(fā)射波長最長的CDs-3進(jìn)行活體成像評估。在大鼠膽囊NIR-II成像實驗中，CDs-3展現(xiàn)出高達(dá)15 mm的組織穿透深度，而臨床常用的造影劑吲哚菁綠（Indocyanine Green, ICG）在相同條件下的穿透深度僅為2 mm。此外，CDs-3成像的信噪比（Signal-to-Noise Ratio）達(dá)到1.44，空間分辨率高達(dá)334.5 μm。憑借這些卓越性能，CDs-3能夠?qū)崿F(xiàn)對膽道狹窄和膽漏等疾病的精確、可視化監(jiān)測，超越了傳統(tǒng)成像探針的能力。
硒摻雜功能化復(fù)合材料CDs-3@pPB在肝纖維化模型中展現(xiàn)診療一體化潛力
除了診斷，研究還致力于賦予納米平臺治療功能。通過對CDs-3進(jìn)行硒（Selenium）摻雜，并將其與功能聚合物復(fù)合，構(gòu)建了功能化復(fù)合材料CDs-3@pPB。在四氯化碳誘導(dǎo)的大鼠肝纖維化模型中，該復(fù)合材料表現(xiàn)出強大的活性氧清除能力。活性氧是導(dǎo)致肝細(xì)胞損傷和纖維化進(jìn)展的關(guān)鍵介質(zhì)。通過清除過量的活性氧，CDs-3@pPB有效緩解了氧化應(yīng)激，減輕了肝組織膠原沉積，從而在治療肝纖維化方面顯示出顯著效果，實現(xiàn)了“既看得清，又治得好”的診療一體化目標(biāo)。
該研究得出結(jié)論，通過精準(zhǔn)設(shè)計基于苯胺延伸的前驅(qū)體，并調(diào)控碳化過程中的石墨烯域形成與氮摻雜類型，可以有效地、機(jī)制明確地將碳點的熒光發(fā)射調(diào)諧至NIR-II區(qū)。所制備的CDs-3在活體膽道成像中表現(xiàn)出遠(yuǎn)超臨床標(biāo)準(zhǔn)探針的穿透力和分辨率，為深層肝膽疾病的精準(zhǔn)診斷提供了強大工具。進(jìn)一步構(gòu)建的硒摻雜功能化復(fù)合材料CDs-3@pPB，兼具高效的活性氧清除與治療功能，在肝纖維化模型中驗證了其診療一體化的 efficacy。這項工作不僅從原理上闡明了碳點實現(xiàn)NIR-II發(fā)射的關(guān)鍵機(jī)制，為理性設(shè)計高性能NIR-II碳點提供了清晰的理論框架，更重要的是，它成功地將基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為一個集高分辨深層成像與高效治療于一體的多功能納米平臺，在肝膽疾病的臨床診療中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力與轉(zhuǎn)化價值。
