中草药碳点应用研究进展△

王倩，李佳怡，沈梦怡，张倩，罗维芳，2*，唐于平，2*

1.陕西中医药大学 药学院，陕西 咸阳 712046；2.陕西省中医药管理局中药配伍重点研究室，陕西 西安 712046

2004 年，科研人员在电泳纯化单壁碳纳米管的过程中偶然发现了碳点（carbon dots，CDs）并在2006 年首次报道了CDs 的合成[1-2]。CDs 是一种粒径较小的新型碳纳米材料，不仅有传统半导体和荧光团（小分子）的双重优点，还有水溶性好、毒性低及生物相容性好等特点。此前，对于CDs的研究主要在合成方法及性能检测等方面，而合成CDs的前体多数为单一化合物，如柠檬酸、甘油、L-抗坏血酸、葡萄糖、柠檬酸-尿素等。采用上述化合物前体合成CDs可能会对环境和人体造成一定危害，因而阻碍了CDs的进一步应用。近年来，随着中药理论的快速发展，中草药CDs 的研究受到广泛关注。中草药CDs 的合成前体是药用植物，包括根、茎、叶、花、果实、种子和其他部分，来源广、产量大。中草药成分复杂且不均一，含有多种活性成分，可发挥抗氧化、止血、消炎镇痛和抗肿瘤等多种功效。本文对中草药CDs 的合成、药理特征及应用研究进行系统概述，并对其未来的研究前景与关键问题进行展望。

1 中草药CDs的合成

CDs的合成方法主要分为2种，分别是“自上而下”合成法和“自下而上”合成法[3-8]。前者是用较小的碳前驱体（有机小分子）经过高温热解、微波辅助或水热合成等方法制备CDs；后者是将大分子的碳单元通过电化学合成、激光灼烧或化学氧化等方法制备纳米颗粒。其中，水热合成法是一种成本低且较为环保的方法，因而被大多数研究者所采用（表1）。

表1 中草药CDs的合成方法

1.1 水热合成法

水热合成法是制备中草药CDs常用的一种方法，此方法不仅符合绿色标准，而且合成的CDs 表面不需要经过额外的修饰与钝化，具有毒性低的特点。制备前，中草药需晾干，将其切成小块或粉碎成粉末，然后浸泡在超纯水中，待超声处理完成，再将混合物转移到不锈钢高压反应釜中，用特定的温度加热，即可获得中草药CDs。最后，将得到的悬浮液用0.22 μm 微孔滤膜滤过，用透析袋透析数天即可得到纯化的CDs。

1.2 高温热解法

高温热解法是另一种制备中草药CDs 的常用方法。制备前，将中草药CDs的前体在真空或惰性气体保护的条件下通过高温加热、脱水、降解和碳化等步骤除去其中可能存在的有机物质，并逐步转化为CDs。此方法制备工艺简单、成本低，可进行大规模生产。制备时，先将中草药放入坩埚并用适当的温度加热至其碳化，然后将其碾碎放入超纯水中煮沸，收集上层溶液获得CDs。最后，将溶液用0.22 μm微孔膜滤过，用透析袋透析数天得到纯化的CDs。

1.3 微波合成法

微波合成法与高温热解法的合成过程大体相同，但前者可在较短时间内达到预期能量，使前驱体受热均匀。微波合成法的本质是通过一种电磁波（波长为1～100 mm）递送能量，引发化学键断裂，可显著缩短反应时间，提高制备效率[22-23]。此外，有报道微波辅助水热合成法可替代传统的水热合成法[24-25]。

2 生物学特性及药代动力学研究

2.1 止血

中药炮制理论记载，药物经碳化加工后可使其性味改变，如升降沉浮发生转化、“涩”味增加，故表现出止血功效[26-28]。黄柏（Phellodendri Chinense Cortex）为清热燥湿药。Liu 等[9]制备了黄柏CDs，并通过小鼠断尾和肝划痕模型实验，证明了该CDs是通过激活体内血浆纤维蛋白原（FIB）系统发挥止血作用。此外，黄柏CDs 的稳定性较好，可长期储存。碳化蒲黄（Pollen Typhae Carbonisata）为止血药[23]。Yan 等[29]对碳化蒲黄水煎液进行分析，发现了新的水溶性CDs（PTC-CDs），证明此CDs 也是通过激活体内的FIB 系统发挥止血功效。灯心草（Junci Medulla Carbonisata）常被用于镇静和抗焦虑，但也有研究发现，碳化处理的灯心草还有止血功效。Cheng 等[30]在其碳化后的水溶液中发现了新的CDs（JMC-CDs），并证明JMC-CDs 不仅对血小板减少和局部出血有一定抑制作用，也可激活体内FIB 系统共同发挥止血功效。

2.2 抗肿瘤

中草药已广泛应用于癌症的替代治疗，可通过调节癌症基因与抗癌基因、改变表观遗传修饰与肿瘤微环境等发挥辅助治疗作用[12]。生姜（Rhizoma Zingiberis Recens）有抗氧化、抗癌等药理作用。Li等[11]以生姜为碳前驱体合成了具有荧光特性和生物活性的CDs，并证明其可增加抗癌基因p53的表达、抑制体内活性氧的产生和肝癌HepG2 细胞的生长。从代谢角度看，该CDs 可在较短时间内随尿液排出体外，避免了潜在的生物毒性。另一项研究表明，生姜CDs表面含有姜黄素（curcumin）[13]，却没有生姜的抗癌成分6-姜辣素，再次表明中草药经高温碳化后活性成分与药理作用可能发生改变。Yao 等[31]以人参皂苷Re为前体，合成了新的CDs（Re-CDs），研究表明，Re-CDs 对癌细胞的抑制作用比人参皂苷Re更强，其通过上调体内活性氧的含量和参与细胞凋亡蛋白酶介导途径抑制癌细胞增殖。

2.3 抗痛风

嘌呤核苷酸在体内的代谢异常是诱发痛风性疾病的首要因素。黄嘌呤氧化酶（XOD）是次黄嘌呤转化过程中的关键酶，也是影响体内尿酸水平的主要因素之一，其在体内过度增加会引发高尿酸血症[15]。别嘌呤醇对其有一定抑制作用，是临床上治疗痛风和高尿酸血症的主要药物之一。通常情况下，可将XOD 作为判断中草药CDs 有无抗痛风活性的指标之一。Wang 等[12]以枳实（Aurantii Fructus Immaturus）为前驱体合成枳实CDs（AFIC-CDs），发现AFIC-CDs 可抑制高尿酸血症大鼠血清和肝脏内的XOD 活性，降低大鼠体内尿酸、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和血清白细胞介素-1（IL-1）等炎症因子含量，减轻痛风性关节炎的病理性损伤。

2.4 抗炎

脂多糖常被用来建立全身的炎症模型，而个别中草药却对其有显著的抑制作用[32-36]。例如，Wang等[28]在木炭加工的过程中发现了桑蚕茧（mulberry silkworm cocoons，MSC）-CDs，随后用3 种经典炎症动物模型预估MSC-CDs的抗炎作用及机制，结果表明，MSC-CDs 可减轻二甲苯诱导的小鼠耳水肿、抑制乙酸诱导的血管通透性增高、降低由脂多糖诱导的炎症模型动物体内TNF-α和IL-6 含量，使其炎症程度得到一定改善。曹鹏等[37]在黄芩（Scutellar Radix）炭的水煎液中分离出1 种新的碳纳米类成分，该成分对二甲苯诱导的耳水肿症状有明显的改善作用，同时也可降低急性腹膜炎小鼠腹腔的毛细血管通透性，具有一定的抗炎功效。

2.5 镇痛

阿片类药物能够缓解和控制疼痛，5-羟色胺（5-HT）与脑啡肽（ENK）可以起到缓解疼痛的作用[26]。Zhang 等[38]利用经典热板实验、尾浸实验和醋酸诱导扭体实验研究碳酸姜CDs 的镇痛机制，结果表明，小剂量的姜类药物可以增加血清中ENK和β-内啡肽含量；通过比较大、中、小3 个剂量发现，C57BL/6 小鼠脑组织中ENK 含量增加，表明脑阿片系统也参与介导了碳酸姜CDs 的镇痛作用。此外，经典热板实验证实了碳酸姜CDs 可调节脑组织和血清中5-HT浓度，表明姜黄素与吗啡之间有协同镇痛作用，但具体机制尚不清楚。目前，尚未发现此CDs 使人体产生不良反应，该研究可为镇痛类药物的研发提供新思路[39-44]。

2.6 药代动力学研究

药代动力学是阐明中药有效成分在体内吸收、分布、代谢和排泄等动态过程的一门学科。虽然，中草药CDs的本质是一种纳米材料，但其也是由合成CDs前体中包含的主要活性成分发挥药效，因而关于其在体内代谢与分布也是研究热点，但却鲜有文章报道此方面的研究成果。因此，即便中草药CDs在细胞水平上表现出良好的安全性，但体外毒性实验还不能证明其在整个生物系统中的安全性。因此，在后续研究中仍要不断探索并将此方向作为研究重点[45-48]。

3 其他应用

3.1 生物传感器

重金属离子可通过土壤、植物和水源等途径进入到环境中，其含量一旦超标就会对人体和环境造成不良影响，如体内Fe3+的含量发生异常波动可能引发人体慢性心力衰竭[49-52]。现有检测方法，如光谱、色谱及电化学等方法，不仅过程复杂而且成本较高[53-55]。部分中草药CDs可直接与重金属离子反应，引起CDs内部电子转移并形成稳定络合物，出现荧光淬灭或增强现象。Sun等[33]以枸杞子（Lycii Fructus，LF）为前驱体，合成了新的水溶性LF-CDs，该CDs 表面富含羟基并基于LF-CDs 和Fe3+的内滤效应使CDs 发生荧光淬灭。Hg2+属于剧毒性金属离子，Sun 等[41]用栀子（Gardeniae Fructus）在不经过任何表面修饰与钝化的情况下，合成“开-关”型氮硫共掺杂CDs（N/SCDs），用于Hg2+与半胱氨酸的检测。此外，还有众多中草药CDs都可用于金属离子的检测（表2）。

表2 中草药CDs检测各种金属离子

3.2 生物成像

中草药CDs的本质是一种粒径较小且易被细胞吸收的纳米材料。由于CDs结构中存在缺陷态与晶格缺陷态，所以具有一定的荧光可调控性。目前，已有多篇文献报道中草药CDs在细胞及活体组织成像方面有较好的效果[18,20-21,47-48,60-61]。Thota等[62]以柠檬草（Lemon Grass Herb，LGH）为前体合成的LGH-CDs除具有毒性低、生物相容性良好的特点外，还能够上转换荧光，使LGH-CDs 具有较强的穿透能力和较小的组织损伤性等特点。此外，还有许多中草药CDs都可应用于此领域（表3）。中草药CDs在生物成像领域的主要研究对象是细胞，而以微生物、原生动物及植物等为研究对象的生物成像还相对较少。

表3 能够生物成像的中草药CDs

4 总结与展望

CDs 作为一种新型碳纳米材料有着优异的生物学特性、灵敏性、光致发光性和稳定性，被广泛应用于离子检测、生物成像和传感等领域。中草药CDs 作为CDs 的一个全新分支，具有绿色、安全的特点，也被广泛应用于上述领域。中草药CDs 在生物学领域中的应用可为今后治疗学的发展提供新思路。中草药CDs 也有一定缺陷，如CDs 最常用的合成方法是水热法和微波辅助法，导致CDs 的荧光强度和粒径大小并不稳定，因而寻求一种稳定、高效的合成方法是当前的研究热点之一。

此外，中草药CDs 合成的前驱体不同，其药理活性也存在一定差异。在中药材高温碳化过程中，药材中某些有效成分可能分解或产生新的有效成分。目前，中草药CDs 在治疗疾病方面已有初步的成效和进展，但在治疗机制和有效成分分析等方面的研究还相对较少，可作为今后中草药CDs 研究的一个方向。其次，虽然中草药CDs 在体内细胞成像与传感方面表现出良好的安全性，但经长期治疗其是否会在体内积累并发生不良反应尚不清楚。中草药CDs 的本质是纳米粒子，所以其在体内的代谢途径也是今后研究的挑战之一。总之，中草药CDs 在生物学领域中的应用还处于初级阶段，未来有广泛的发展空间和无限可能。

中草药CDs 合成的前体多来源于植物，而对动物类药物却涉及较少，后期可开展对动物类药物CDs 的探索研究。此外，中草药在提取完成后，药渣中是否仍含有部分活性成分，以及用药渣提取合成CDs也可作为今后的研究方向。