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Nature子刊 | 打破认知!南京大学缪爱军/张效伟/韦斯揭示碳点化合物的光降解引起细胞毒性

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(图片来源:摄图网)

本文原创首发公众号:iNature

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碳点(CD)是具有广泛应用的光致发光纳米材料。尽管它们具有光活性,但尚不清楚CD在光照下是否会降解以及这种光降解是否会引起细胞毒性作用。

2021年2月5日,南京大学缪爱军,张效伟及韦斯共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Photodegradation of carbon dots cause cytotoxicity”的研究论文,该研究显示了用光辐照的实验室合成CD会降解为对正常细胞(HEK-293)和癌细胞(HeLa和HepG2)均具有毒性的分子。

光辐照八天后,将其CD的28.6-59.8%裂解为<3千道尔顿分子。分子网络和群落分析进一步揭示了499种与细胞毒性相关的分子,其中212种包含聚乙二醇,葡萄糖或苯相关的结构。受温度,pH,光强度和波长影响,光诱导产生的羟基和烷基自由基在CD降解中起重要作用。商业CD表现出相似的光降解产物和细胞毒性特征,表明CD不论其化学组成如何,都可能因光降解而引起的细胞毒性。该研究结果突出了光在CD的细胞相容性研究中的重要性。

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碳点(CD)于2004年首次被描述为通过制备性电泳纯化单壁碳纳米管而分离出的杂质之一。这些“零维”光致发光碳纳米材料的尺寸小于10 nm,在传感,生物成像,药物输送,光动力疗法以及光催化和电催化方面具有广阔的应用前景。此后,开发了多种合成CD的方法,包括有机化合物(例如碳水化合物)的“自下而上”脱水以及石墨,碳纤维,碳纳米管和其他碳源的“自顶向下”切割,与包含有毒重金属(如Cd和Pb)和有机染料的传统半导体相反,CD具有高水溶性,具有生物相容性,化学惰性,并且易于功能化。此外,它们具有可调的发射和大的两光子激发截面,使其比传统的量子点更具吸引力。

使用不同的哺乳动物细胞系,以及不同的CD组成和表面功能化,已经广泛检查了CD的细胞毒性。它们被认为具有本质上无细胞毒性,因此适用于各种生物医学应用。然而,问题在于,迄今为止,大多数细胞毒性研究都是在黑暗中完成的。CD的许多建议应用涉及光(例如,生物成像,光催化,发光二极管,光伏电池等)。此外,CD具有光活性。最近的研究表明,光辐照的CD会产生对细菌和酵母有毒的活性氧。尽管它们具有光活性,但尚不清楚CD在光照下是否会降解以及这种光降解是否会对人体细胞造成细胞毒性作用。

在这里,该研究显示了用光照射的实验室合成CD会降解为对正常人细胞(HEK-293肾上皮细胞)和恶性人细胞(HeLa宫颈癌细胞和HepG2肝细胞癌细胞)有毒的分子。CD是使用常见的葡萄糖热解方法合成的,并在不同的条件下(例如,不同的pH,离子强度,温度,光强度和波长)揭示了自由基在CD光降解中的潜在作用。

通过减少人类转录组(RHT)建模,以浓度依赖的方式对实验室合成的CD做出反应的1200个人类基因,该研究确定了CD干扰的分子途径。将RHT谱中的基因和途径与比较毒物基因组数据库(CTD)进行比较,进一步发现关键毒物可能具有高度不饱和度,并含有苯,羰基或羟基。使用高通量,非目标高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱(HPLC-QTOF)分析光解分子,并通过分子网络和群落分析可视化其与细胞毒性的相关性,该研究检测到1431个分子,其中499个与细胞毒性有关。使用不同方法制备的商业CD也产生类似的光降解产物和细胞毒性图谱,表明这些可能是CD的一般特征。与先前的生物相容性主张相反,该研究结果表明CD会发生光降解并释放出可诱导人细胞毒性的物质。

参考消息:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21080-z

编者按:本文转载自微信公众号:iNature(ID:Plant_ihuman)


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