中藥衍生碳點藥理作用及其機制的研究進展

方成維,麻秀萍,2,李嘉欣,陳亮,2*

(1.貴州中醫藥大學 藥學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州中醫藥大學 茶+大健康食品開發研究中心,貴州 貴陽 550025)

碳量子點簡稱碳點(CDs),作為一種利用碳源合成的粒徑小于10 nm的新型發光零維碳納米材料,逐漸成為生物醫療、化學傳感、光學成像等領域的研究熱點之一[1]。2023年諾貝爾化學獎授予三名科學家,以表彰他們在發現和合成量子點方面所作出的貢獻,新型碳點的合成與應用更加引起科研工作者的關注。

中藥的傳承與創新發展在我國醫療保健中發揮了重要作用。而傳統的中藥常存在體積大、生物利用度低、副作用等現象,致使其藥效不能夠充分發揮[2]。而碳點卻具有生物相容性好、低毒性和穩定的物理化學特性。在此背景下,以中草藥為碳源合成的碳量子點應運而生。中草藥含有豐富的活性成分,中藥衍生碳點因為保留了碳源的部分活性,而具有多種藥效作用。總結了近年來有關中藥衍生碳點的藥理作用及其機制的研究進展,重點介紹中藥衍生碳點抗炎、止血、抗癌、抗腫瘤相關性貧血以及促進傷口愈合等相關領域的藥理作用及其分子機制(圖1),以期為基于中藥衍生碳點的新藥研究提供一定參考依據。

圖1 中藥衍生碳點的藥理作用

1 抗炎作用及機制

炎癥包括機體損傷、抗損傷和修復的動態過程,是人體對損傷和感染的反應,涉及軀體感覺、免疫、自主和血管系統的復雜生物反應[3]。物理、化學或生物因子等均可導致組織細胞損傷而引發炎癥。中藥桑蠶繭在臨床上用于炎癥的治療已有悠久的歷史。采用熱解方法合成的桑蠶繭碳點(MSC-CDs)具有豐富的表面基團,顯示出獨特的溶解性,并可能通過抑制白細胞介素-6 和腫瘤壞死因子-α的表達來介導抗炎活性[4]。采用水熱法從番荔枝葉中綠色合成的熒光碳點顯示出諸如影響血管生成等多種特性。采用人紅細胞的穩定性實驗評估番荔枝葉碳點(GCDs)的抗炎活性,結果顯示GCDs能夠阻止過載的紅細胞膜因低滲而溶解[5]。靜脈應用狗尾草碳點減輕了非肥胖型糖尿病小鼠治療6周后的下頜下腺炎癥。狗尾草碳點治療小鼠的炎癥面積指數和病灶評分顯著降低。此外,狗尾草碳點處理的小鼠通過減少細胞凋亡,刺激的唾液流速和下頜下腺重量顯著增加[6]。

2 止血作用及機制

炭藥止血理論在中藥炮制領域占有重要的地位。然而中藥在高溫炭化后的止血藥效物質基礎仍然缺乏合理的解釋。中藥在高溫下發生美拉德反應產生的納米類成分為“炭藥止血”的物質基礎研究提供了新的思路[7]。研究表明,不同濃度的狹葉香蒲碳點、蓮藕碳點、大薊碳點均能明顯縮短血漿凝血酶原時間,即碳點可通過外源性凝血途徑增強血漿中相關凝血因子I、II、V、VII和X的活性,實現止血效果。同時,不同濃度的這三種碳點也可以縮短部分活化凝血活酶時間,表明碳點可以通過內源性凝血途徑影響凝血因子VII、VIII和IX,將血液轉化為高度凝固狀態。這是因為這些碳點表面由于羥基和羧基的存在而帶負電荷,當血液與帶負電荷的異物表面接觸時,FXII因子會結合到其表面并被激活為FXIIa,其主要功能是將FXI激活為FXIa,啟動內源性凝血途徑。此外,FXIIa可以促進FXIIa活化前激肽釋放酶的形成,其形成過程稱為表面活性。這種表面活化過程還需要高分子量激肽原的參與,它可以作為輔助因子加速表面活化過程[8]。近年來,以“碳點”為炭藥止血的物質基礎的研究逐漸增多,中藥在高溫炭化過程中可能產生了納米級的物質,從枳實炭、黃柏炭等炭藥水提物中都分離出一種小于10 nm的新成分,其粒徑大小、光學特性和表面基團等性質與納米材料中碳點相類似,正是這種納米物質發揮了止血作用[9-10]。這種探索將為中藥炮制理論提供了一個全新的研究方向[11]。

3 抗癌作用及機制

癌癥發生機制復雜,至今仍是臨床醫學的巨大挑戰。中藥多組分協同作用,在癌癥的替代治療和輔助治療方面有著獨特的優勢[12]。光熱治療是利用光熱轉化劑將近紅外光(NIR)轉化為熱能消融腫瘤細胞的一種新興的物理療法,具有無創、準確、安全、可控等特點,因其能夠智能觸發和高效抑癌而備受關注[13]。碳點由于其光致發光、在體液中的溶解性、化學穩定性和生物相容性,越來越多地在癌癥的治療診斷應用中發揮藥物輸送系統的作用[14]。利用中藥中天然生物大分子菊糖合成具有pH響應和氧化還原響應性的聚合物膠束,可用于負載布地奈德用于治療結腸癌[15]。生姜碳點則可以通過上調癌細胞中p53基因的表達,并誘導細胞內ROS的水平,對HepG2細胞的生長有極高的抑制作用[16]。

4 治療腫瘤相關性貧血及機制

腫瘤相關性貧血(Cancer Related Anemia,CRA)是癌癥患者常伴有的癥狀,中醫治療以補益脾腎為主[17]。治療貧血的主要藥物促紅細胞生成素雖然效果良好,然而卻也造成腫瘤的增殖和轉移,從而加劇乳腺癌、卵巢癌等腫瘤進展,這極大地限制了腫瘤患者的貧血治療選擇。以傳統補血藥物大棗作為碳源合成碳點有望解決這一難題。研究顯示,大棗碳點(J-CDs)處理的小鼠其外周血中的紅細胞、血紅蛋白水平、紅細胞壓積以及網織紅細胞比例均顯著增加。進一步研究發現,J-CDs并不影響卵巢癌、乳腺癌等的腫瘤增殖,同時也不影響卵巢癌細胞荷瘤小鼠的存活率。EphB4是EPO在卵巢癌和乳腺癌中的直接受體,通過促進STAT3的磷酸化造成腫瘤進展。然而J-CDs并不影響卵巢癌和乳腺癌細胞中STAT3的磷酸化水平[18]。

5 促進傷口愈合作用及機制

目前,治療慢性難愈合性創面的方法主要包括清創手術、抗生素治療、生長因子治療、補充纖維蛋白以及中藥治療等,患者的治療選擇并不多。通過一種綠色、快速、低成本的微波輔助法,以姜的水溶液為碳源,制備姜碳點(GCDs)。GCDs由于具有超小尺寸和豐富的活性基團,在水中高度分散,使其能夠極大地提高其生物利用度。通過阻斷TLR4/NF-κB的磷酸化途徑抑制相關促炎介質的過度表達,在mRNA水平上,降低腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1β、白細胞介素-6和一氧化氮(NO),能有效地促進創面愈合[20]。

6 其他作用及機制

6.1 抑制骨放射性壞死及機制

放射性治療的副作用之一是導致骨壞死,由于缺乏相關的藥物,目前治療手段以手術為主。以茄科植物枸杞為原料,經水熱合成的CDs能有效減輕輻射所致的骨損傷。枸杞碳點通過增加甲基轉移酶3 (METTL3)來增加輻照骨髓間充質干細胞BMSCs的m6A水平,從而導致Clip3 mRNA轉錄物的降解,影響METTL3/Clip3軸介導的m6A修飾抑制輻射誘導的骨損傷。該研究為輻射誘導的骨損傷的治療提供了新的見解[21]。

6.2 修復血腦屏障損傷及機制

修復創傷后開放的血腦屏障是治療創傷性腦損傷的重要策略。以血府逐瘀湯君藥-桃仁、紅花藥對為原料,采用水熱合成法制備了桃仁-紅花碳點(TH-CDs),其表面帶負電荷、并含有豐富的表面官能團。尾靜脈注射TH-CDs可改善模型小鼠BBB通透性、神經功能評分、腦水含量及神經元損傷等,且無明顯體內外毒性。進一步分析表明,TH-CDs可能通過表面負電荷與claudin 5之間形成的靜電相互作用,從而有助于在claudin 5區域產生藥效作用,發揮改善BBB損傷的藥理作用。TH-CDs同時克服了傳統中藥在修復血腦屏障時只能口服以及血藥濃度低的限制[22]。

6.3 抗菌作用及機制

碳量子點的抗菌活性主要涉及細胞壁損傷和通過活性氧(ROS)的產生破壞感染性生物膜的基質,從而導致感染性病原體的擴散,增強其對抗生素的易感性。通過高溫加熱中藥碳源獲得的碳量子點可以保留其來源的碳源的特性。這使得抗生素、草藥和植物或益生菌成為合成抗菌碳量子點的理想來源。值得一提的是,碳量子點被認為比抗生素誘導細菌耐藥性的幾率更低,這使得碳點在大規模臨床應用方面具有吸引力[23]。以綠茶作為碳源,通過溶劑熱法,制備具有光動力治療性能的綠茶衍生碳點(T-CDs),能夠有效產生活性氧,滅活耐甲氧西林金黃色葡萄球菌,降低細菌引起的傷口炎癥[24]。連翹負載的碳點,具有較好的抗木腐菌性能,實現了抗真菌作用的增強[25]。

6.4 抗病毒作用及機制

中藥在抗病毒方面的作用已經經過了大量的臨床案例證明。以傳統中藥甘草的主要成分甘草酸為原料,合成具有良好抗病毒活性的甘草酸碳點(Gly-CDs)。Gly-CDs可抑制病毒對宿主的入侵,還可通過提高細胞免疫、抑制活性氧等途徑抑制病毒的復制。研究表明,Gly-CDs具有非凡的抗病毒活性,具有多位點抑制機制,為豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)感染的替代治療提供了一種有前景的候選藥物[26]。

6.5 糖尿病相關領域的應用及機制

糖尿病是一組以長時間內存在高血糖水平癥狀為特征的代謝性疾病,患者除了表現為高血糖還經常伴有尿頻、口渴和饑餓感增加。如果不正確治療,可繼續導致多種并發癥。急性并發癥包括酮癥酸中毒、非酮癥高滲性昏迷,甚至死亡。我國中醫藥學家以整體觀念看待疾病,常常是采用中藥復方通過多角度、多層次、多途徑,綜合調節作用于全身各處臟腑、經絡、氣血津液,通過多種機制發揮療效。這樣的思路恰好與復雜病因引起的糖尿病等慢性疾病的病理特征相統一。因此,中藥及其復方在綜合性疾病的防治過程中具有西藥不具備的獨特優勢。以咖啡酸為前體,通過一步溶劑熱合成法開發的一種可逆的pH值熒光傳感器可用于糖尿病小鼠pH值的雙光子成像[19]。采用靜電紡絲技術制備茶碳點(TCDs),以TCDs為基礎的復合膜在糖尿病大鼠中表現出顯著的抗炎和傷口愈合促進特性,沒有任何細胞毒性。該研究對于開發用于糖尿病創面愈合的天然且具有生物相容性的敷料膜具有重要意義,在慢性病患者的創面消毒和恢復中具有廣闊的應用前景[27]。

6.6 抗氧化作用及機制

機體受到環境刺激后,產生活性氧自由基和活性氮自由基所引起的細胞和組織的生理、病理反應,成為氧化應激。氧化應激與多種疾病的發生發展相關[28]。以綠茶為原料,并負載姜黃素制備碳量子點/姜黃素納米復合材料(CQDs/Cur)。通過DPPH、羥基自由基、金屬離子螯合和還原力測定研究CQDs/Cur納米復合材料的抗氧化活性。結果表明,負載姜黃素的茶碳量子點具有開發天然抗氧化劑的潛力[29]。中藥中由于常含有多羥基化合物而具有抗氧化作用。茯苓中含有多糖、黃酮等物質而成為天然的抗氧化劑。由其合成的茯苓碳點保留了碳前體的抗氧化活性,對DPPH自由基有良好的清除活性,清除率高達95.4%[30]。

6.7 抗過敏作用及機制

中藥是中華民族的瑰寶,炭藥是一類具有鮮明特色的藥物。黃芩是一種已用于治療過敏癥的炭藥。從黃芩水提取物中觀察并分離了 2 至 9 nm 的新型水溶性碳點(SRC-CD)。這些 SRC-CD 使用透射電子顯微鏡 (TEM) 和高分辨率 TEM 以及傅里葉變換紅外、紫外-可見和熒光光譜進行表征,以確定粒徑、形態、化學結構和光學性質。體外實驗在 C48/80 誘導的 RBL-2H3 細胞模型中研究了 SRC-CD 的抗過敏功效,顯示出顯著的抗過敏作用。這些結果將為炭藥的后續研究和對CDs潛在的生物醫學應用的新認識提供新的解決方向和技術方法[31]。

6.8 抗痛風作用及機制

痛風的主要是由于持續性高尿酸血癥導致周身關節內及關節周圍形成單鈉尿酸鹽沉積,引起關節的紅斑、腫脹、疼痛等為主要特征的疾病[32]。中藥從多信號通路發揮緩解痛風的作用。采用改進的熱解方法在300℃下合成葛根(PLR-CDs),并采用透射電子顯微鏡(TEM)、紫外-可見光譜(UV-vis)和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)等多方面方法對其進行了表征。此外,使用細胞計數試劑盒(CCK)-8研究了PLR-CDs在RAW264.7細胞中的生物相容性,并在高尿酸血癥和痛風性關節炎動物模型上檢測了PLR-CD的抗痛風活性。PLR-CDs對RAW264.7細胞無毒。藥效學實驗結果表明,PLR-CDs可通過抑制黃嘌呤氧化酶活性降低模型大鼠血尿酸水平,減輕痛風性關節炎的腫脹程度和病理損傷。因此,具有抗痛風生物活性和良好生物相容性的PLR-CDs在治療痛風方面具有臨床應用前景[33]。

7 結論

中藥衍生碳點作為一種新型納米材料,在醫藥領域的應用越來越廣泛。以中草藥為碳源合成的碳點可用于抗炎、止血、抗癌、抗腫瘤相關性貧血以及抑制放射性骨損傷等。中藥碳點由于保留了中藥原有成分的部分活性,從而展現多樣化的作用機制。近年來,關于中藥衍生碳點的研究多集中在合成工藝和藥理活性方面,而對其藥代動力學的研究較少,因此值得進一步深入開展相關探索。