活性氧（Reactive oxygen species, ROS）作为一类含氧的高化学反应活性物质，是慢性炎症的典型特征之一。炎症临床治疗方法之一是对ROS进行全面清除。某些类型ROS，例如羟基自由基（·OH）和过氧亚硝酸根（ONOO^–）等，是高毒性氧化剂，易对生物大分子造成氧化损伤。而超氧阴离子（O₂^·–）、过氧化氢（H₂O₂）和一氧化氮（NO）等在细胞增殖分化、免疫调节等方面充当重要的信号分子，在生理过程中起着至关重要的作用。ROS的非特异性清除不可避免地阻碍了正常的信号传导，并对健康组织和器官产生副作用。因此，保留必要的ROS（如，O₂^·–、H₂O₂和NO等），同时清除细胞毒性ROS（如·OH和ONOO^–等）对于炎症治疗至关重要。

近期，西北工业大学李鹏教授/贾庆岩副教授团队在《ACS Nano》杂志发表了题为“Structurally Oriented Carbon Dots as ROS Nanomodulators for Dynamic Chronic Inflammation and Infection Elimination”的工作。该研究采用溶剂热法，通过筛选生物质前驱体实现了碳点（Carbon dots, CDs）表面态功能基团的调控，并揭示了CDs的氧化还原电位/光电子能级与ROS调控之间的联系，可实现生物体内的ROS按需调控，用于慢性炎症和/或感染相关疾病的高效、精准治疗。

源自金银花（HOCD）和蒲公英（DACD）的CDs被证明表面富含酚羟基等基团，表现出适当的氧化还原电位，低于·OH和ONOO^–的标准氧化还原电位，能够选择性清除细胞毒性·OH和ONOO^–；而O₂^·–、H₂O₂和NO的氧化还原电位较低，HOCD和DACD对O₂^·–、H₂O₂等生理活性ROS基本无效，因此在保证生物相容性的情况下能够对ROS过表达的慢性炎症类疾病进行有效治疗。

此外，源自红豆杉叶的CDs（TACD）和DACD表面的C–N/C═N使其具有合适的能带结构，LUMO电位高于O₂/O₂^·–（−0.33 V）的能级（图2f），表明它们具有促进O₂转化变成O₂^·–的能力，可用于感染伤口的Ⅰ型PDT。

为实现炎症和感染的同时消除，目前一些研究试图通过将ROS发生器和消炎药进行集成。然而，所使用的抗炎药物会广谱清除ROS，不仅损害基于ROS的动态疗法的杀菌效果，而且还破坏了信使ROS的平衡。ROS的动态调节，包括细胞毒性ROS的选择性清除，以及根据需要产生非自我清除的杀菌ROS，被认为是一种有吸引力的治疗选择，可用于满足慢性感染伤口管理中的各种需求。DACD表现出一种ROS的动态调节能力，即可以选择性清除具有细胞毒性的·OH和ONOO^–用于消炎，而且在光照下可有效产生非自清除的O₂^·–进行杀菌，使其非常适合解决并发的慢性炎症和感染。这种动态的ROS调控策略有助于实现对慢性炎症和感染的精确有效治疗，同时将副作用降至最低，在临床应用中具有巨大的潜力。

图1. 结构导向CDs的制备及其作为ROS纳米调节剂在消炎和抗菌中的应用示意图。

图2. （a）CDs对不同ROS的清除能力。（b）CDs的循环伏安曲线。（c）ROS和CDs的标准氧化还原电位。（d）660 nm激光照射下，CDs溶液中DHE的荧光强度曲线。（e）CDs的UPS光谱。（f）CDs的HOMO/LUMO能级图。（g）CDs的模拟结构以及相应的HOMO和LUMO能级。

图3. （a）经H₂O₂和CDs孵育后，HPF和DHE染色的NIH3T3细胞的荧光图像。DCFH-DA作为荧光探针检测NIH3T3细胞中的ROS水平的流式细胞术（b）和定量分析结果（c）。（d）CDs清除细胞内ROS的作用机制示意图。（e-g）在660 nm激光照射下，三种CDs对MRSA的杀菌率统计。在660 nm激光照射下，经CDs处理的MRSA的平板菌落（h）及SEM（i）图像。

图4. 急性烧伤创面炎症模型。（a）烧伤创面模型构建和治疗程序示意图。（b）皮肤伤口组织中IL-1β和TNF-α的免疫组织化学染色图像。（c）IL-1β和（d）TNF-α在伤口组织中的相对覆盖区域的定量分析。（e）治疗7天后伤口组织的H&E染色图像。（f）烧伤伤口的代表性照片。（g）小鼠烧伤创面匀浆中的T-AOC水平。

图5. 慢性糖尿病伤口模型。（a）感染性和非感染性糖尿病伤口模型构建及治疗程序示意图。（b）糖尿病伤口的照片。（c）糖尿病感染伤口的照片。（d）CD86/CD206和天狼星红在伤口组织中的代表性染色图像。（e）抗菌涂板代表性照片和（f）从糖尿病小鼠伤口获得的MRSA菌落数。

【结论与展望】

综上所述，该研究通过调节CDs表面态官能团，能够实现ROS的动态调节，可用于慢性炎症和/或感染的按需治疗。其中，HOCD和DACD的氧化还原电位低于细胞毒性ROS（·OH和ONOO^–），但高于ROS（O₂^·–、H₂O₂和NO），从而使它们能够有效和有选择性地清除前者，对后者无效。此外，TACD和DACD在光照下产生O₂^·–，适合于感染伤口的Ⅰ型PDT。体外和体内生物学研究表明，HOCD和DACD可以通过选择性清除细胞毒性ROS，同时保留必需的ROS，而不会诱发任何不良反应，从而有效缓解炎症促进伤口愈合。值得注意的是，它们不仅可以有效消除伤口炎症慢性炎症疾病，而且具有治疗其他类型慢性炎症疾病的潜力。此外，选择性·OH和ONOO^–清除和光诱导杀菌剂O₂^·–生成能力使DACD成为一种动态ROS调节剂，显示出对解决并发慢性炎症和感染的特殊适用性。因此，利用草药CDs作为动态ROS纳米调节剂在各种慢性炎症和/或感染的临床治疗中具有巨大的潜力。

西北工业大学李鹏教授和贾庆岩副教授为该论文的共同通讯作者，博士研究生聂仁浩和张建红为本论文的共同第一作者。本研究受到国家自然科学基金和陕西省杰出青年科学基金等项目资助。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c05266

（文字：贾庆岩 审核：王学文）