针对上述问题，复旦大学黄锦海/周行涛教授团队合作设计并构建了一种新型多功能上转换纳米复合材料（MCNs/Ln/GD/FR NPs）。该材料以具有良好药物负载能力和近红外吸收性能的介孔碳纳米材料（MCNs）为核心，外层包覆稀土上转换材料（Y₂O₂S:Yb³⁺, Er³⁺），可将980 nm长波激光转换为可见光，拓展其光吸收范围，从而显著提升光热转换效率。在该基础上，复合材料共载有两种功能药物：天然热休克蛋白抑制剂藤黄酸（GA）和广谱抗癌药阿霉素（DOX），通过协同机制有效抑制肿瘤细胞的耐热性并增强杀伤作用。同时，材料表面修饰温敏水凝胶PNIPAM，实现药物的控温响应释放，提高治疗的安全性与效率。为增强靶向性和细胞摄取效率，纳米复合材料还进一步接枝叶酸（FA）和细胞穿膜肽R8，提升其在肿瘤组织内的富集能力和细胞穿透能力。研究中不仅对材料的形貌、结构、光热性能和药物释放行为进行了系统表征，还建立皮下和眼内黑色素瘤动物模型，综合评价其体内外的生物相容性和光热协同治疗效果。结果显示，该复合材料具有优异的肿瘤靶向性和治疗效果，显著抑制OCM-1细胞活性及黑色素瘤生长，为低温光热抗肿瘤、抗新生血管和抗菌治疗提供了有前景的策略。该文章于2025年7月9日以《Synthetic carbon-based lanthanide upconversion nanoparticles for enhanced photothermal therapy》为题发表于《Nature Communications》上（DOI：10.1038/s41467-025-60454-5）。

图1 示意图 MCNs/Ln/GD/FR纳米粒子的合成及其在黑色素瘤光热协同治疗中的应用

（1）MCNs/Ln纳米颗粒的材料表征

MCNs/Ln纳米颗粒采用以MCNs为核心的合成策略（图2A）。SEM图像显示包覆碳酸镧壳层后粒径由100 nm增至200 nm，焙烧后降至约130 nm，800 °C下颗粒完整性受损（图2B）。TEM及HRTEM证实Y₂O₂S:Yb³⁺,Er³⁺包覆成功，且表面存在0.293 nm晶面间距，对应其六方晶面（图2C）。XRD图谱显示，MCNs及其前驱体无明显衍射峰，而MCNs/Ln NPs具明显晶体特征，匹配JCPDS#24-1424（图2D）。氮气吸附–脱附等温线分析显示MCNs比表面积为523.31 m²/g，包覆壳层后降至184.55 m²/g，孔径仍约3 nm（图2E），保留良好载药潜力。荧光测试显示Y₂O₂S:Yb³⁺,Er³⁺在980 nm激发下产生550、690和840 nm发射光，包覆MCNs后可见光发射减弱，近红外发射增强（图2F），表明MCNs吸收了壳层发射光。0.75 mmol为最佳包覆量，超过则发光效率下降（图2F）。在980 nm激光照射下，0.75 mmol包覆组温升最显著，从29 °C上升至65 °C，优于MCNs组（51.5 °C）（图2G）。700 °C焙烧样品的光热转化性能最优；光照功率、浓度与照射时间均正相关地影响温度升高（图2H）。热转换效率测定表明，MCNs/Ln NPs（0.75 mmol）效率为82.86%，显著高于MCNs（59.48%）和Y₂O₂S:Yb³⁺,Er³⁺（19.8%）（图2I）。机制图展示了在980 nm照射下，Yb³⁺–Er³⁺能量转移后发出的多波长光被MCNs进一步吸收，从而拓宽吸收带宽并增强光热效率（图2J）。

图2. MCNs/Ln NPs的表征。（A）MCNs/Ln NPs的合成示意图；（B）不同阶段样品的SEM图像；（C）MCNs及MCNs/Ln NPs的TEM与HRTEM图像；（D）不同条件下样品的XRD图谱；（E）MCNs与MCNs/Ln NPs的BET曲线；（F）980 nm激光下不同样品的发射光谱；（G）不同镧系硝酸盐用量对光热性能的影响；（H）不同浓度和照射时间下的光热成像图；（I）三种样品的光热转换效率比较；（J）MCNs/Ln NPs光热效率提升的机制示意图

（2）MCNs/Ln/GD/FR纳米颗粒的材料特性

如图3A所示，具优异光热转换性能的亲水性MCNs/Ln NPs被用作载体，依次通过负载GA（MCNs/Ln/G）、包覆温度与GSH响应性PNIPAM水凝胶（MCNs/Ln/G/pNIPAM）、包载DOX（MCNs/Ln/GD）及共价修饰FA与R8（MCNs/Ln/GD/FR）形成多功能纳米颗粒。Zeta电位从初始16.4 mV降至2.7 mV（负载GA），再降至−17.3 mV（包覆PNIPAM），加入DOX后升至8.2 mV，修饰FA与R8后变为−2.9 mV。TEM图像显示壳层外包覆非晶态PNIPAM水凝胶（图3A）。DOX的包封效率与载药率高于GA，48小时内GA释放率约58%。DOX释放受温度与GSH刺激调控，GSH浓度越高，释放量越大（图3B）。加热促进水凝胶崩解，DOX释放时间由无加热时的缓慢释放缩短为约1分钟（图3C）。荧光显微镜进一步验证了光热响应下DOX的可控释放（图3D），示意图说明纳米颗粒可在体内安全递送，避免早期释放（图3E）。ARPE-19细胞在50–200 μg/mL浓度下存活率超80%，表现出良好生物相容性。在hRMEC、293T和L929细胞中，MCNs/Ln/GD/FR浓度高达400 μg/mL时，除hRMEC略降至约70%，其余细胞存活率仍高于80%，证实该纳米材料具有明显的生物相容性。

（3）MCNs/Ln/GD/FR纳米粒的体外协同治疗

在评估纳米复合材料的光热联合治疗（PTT）效果前，首先测试了980 nm激光对OCM-1细胞的影响。结果显示，当激光功率密度升至280 mW cm⁻²时，细胞存活率为85%，因此，后续实验采用280 mW/ cm²作为照射功率密度。在此条件下，纳米复合材料对OCM-1细胞的PTT效应与浓度呈正相关（图3F）。在100 μg mL⁻¹下，仅负载MCNs的细胞存活率为60%，而包覆Y₂O₂S:Yb³⁺,Er³⁺后的MCNs/Ln组下降至20%；进一步加载GA与DOX、修饰FA与R8后（MCNs/Ln/GD/FR），细胞存活率降至13%，浓度增至200 μg mL⁻¹后进一步下降至6%，表明修饰显著增强PTT协同效应。Calcein-AM/PI双染结果显示，MCNs/Ln/GD/FR组中绿色活细胞显著减少，红色死亡细胞明显增多（图3G），验证其光热杀伤效果随功能化程度增强。流式细胞术进一步显示，200 μg mL⁻¹纳米材料照射10 min后，MCNs组细胞活性为21.1%，而MCNs/Ln组降至8.14%，MCNs/Ln/GD/FR组降至5.9%，晚期凋亡细胞显著增加（图3H），反映其增强的凋亡诱导和肿瘤靶向能力。蛋白印迹实验显示，MCNs/Ln/GD/FR联合激光处理可显著下调OCM-1细胞中HSP70水平（由1.37降至0.65），说明GA有效抑制热休克蛋白表达，减弱肿瘤细胞耐热性，增强热诱导凋亡（图3I, J）。

图3. MCNs/Ln/GD/FR NPs的表征与治疗效果评估。（A）纳米颗粒的合成示意图及TEM图像；（B）不同GSH浓度对DOX释放的影响；（C）GSH与光照对DOX释放的协同作用；（D）有无激光照射条件下的荧光图像；（E）温度与GSH响应性释放示意图；（F）不同纳米颗粒对OCM-1细胞活性的PTT协同治疗效果；（G）Calcein-AM/PI双染观察细胞死亡情况；（H）不同处理组的流式细胞凋亡分析；（I）不同条件下HSP70蛋白表达水平变化；（J）MCNs/Ln/GD/FR NPs各组分的治疗作用分析

（4）体外和体内MCNs/Ln/GD/FR纳米粒摄取增加

为评估MCNs/Ln/GD/FR NPs的肿瘤（肿瘤细胞）靶向能力，分别在体外及体内进行实验。由于OCM-1细胞富含叶酸受体，相较于ARPE-19细胞，其更易摄取FA修饰的纳米颗粒（图4A、B）。将200 μg mL⁻¹的MCNs/Ln/D/FR NPs与OCM-1和ARPE-19细胞共孵育6小时后，观察到OCM-1细胞内DOX红色荧光明显增强，表明摄取量更高（图4C）。荧光强度定量分析也证实OCM-1细胞内DOX浓度更高（图4D）。在小鼠皮下黑色素瘤模型中，通过静脉注射不同处理组（PBS、Laser、MCNs/Ln/GD、MCNs/Ln/GD/FR）并于4小时后观察肿瘤部位，MCNs/Ln/GD/FR组肿瘤区域颜色明显加深（），热成像显示其肿瘤温度显著高于其他组（图4F、G），说明纳米颗粒富集程度更高。ICP分析显示MCNs/Ln/GD/FR组肿瘤组织中Y元素含量更高（图4H）。HE染色结果显示，该组肿瘤组织中黑色颗粒更多，伴随明显坏死及炎性细胞浸润（图4I），进一步验证纳米颗粒在肿瘤内的富集与治疗反应。热成像及ICP分析进一步证实，MCNs/Ln/GD/FR组小鼠的肿瘤温度远高于其余组织及其他组的肿瘤组织（图4J），且Y元素主要分布于肿瘤组织中，其他脏器摄取较少，提示MCNs/Ln/GD/FR NPs具有良好的肿瘤靶向性与组织安全性（图4K）。

（5）MCNs/Ln/GD/FR纳米粒增强体内抗皮下肿瘤的作用

为评估MCNs/Ln/GD/FR NPs在体内的肿瘤协同治疗效果，建立皮下和眼内两种黑色素瘤模型。皮下瘤治疗过程中，小鼠体重始终保持稳定，表明该纳米复合物具有良好生物相容性。不同处理组肿瘤体积变化显著：PBS、Laser、DOX及MCNs/Ln/GD组肿瘤持续增长，而MCNs/Ln/GD/FR组肿瘤体积逐渐缩小，部分小鼠21天内肿瘤完全消退（图4L, M）。治疗期间及剥离后的肿瘤照片进一步印证了其显著抑瘤效果（图4L, N）。

图4. MCNs/Ln/GD/FR NPs对皮下黑色素瘤的靶向性与抗肿瘤效果。（A）OCM-1与ARPE-19细胞中叶酸受体表达的Western Blot结果；（B）叶酸受体表达差异示意图；（C）纳米颗粒与ARPE-19和OCM-1细胞共孵育后的共聚焦图像；（D）细胞摄取纳米颗粒的荧光定量分析图；（E）皮下瘤模型建立与干预流程图；（F）不同处理组小鼠接受980 nm激光照射后的热成像照片；（G）各组肿瘤部位温度变化曲线；（H）各组肿瘤组织中的Y元素含量；（I）MCNs/Ln/GD与MCNs/Ln/GD/FR组肿瘤组织的H&E染色图；（J）不同组织器官的温度直方图；（K）MCNs/Ln/GD/FR组不同组织中Y元素含量；（L）治疗期间不同时点小鼠外观图像；（M）各组肿瘤体积变化曲线；（N）不同组切除肿瘤组织的照片及质量比较

（6）MCNs/Ln/GD/FR纳米粒对眼部原位黑色素瘤的抗肿瘤作用

为评估MCNs/Ln/GD/FR NPs对眼内原位肿瘤的治疗效果，通过视网膜下注射OCM-1-Luc细胞建立眼内黑色素瘤模型（图5A）。随后比较尾静脉注射（IV）与玻璃体内注射（IVT）两种方式。活体光学成像结果显示，MCNs/Ln/GD/FR（IV）组肿瘤荧光信号显著减弱，表明其抑瘤效果优于其他组（图5B）。治疗期间荧光变化趋势显示，MCNs/Ln/GD/FR（IV）组的荧光强度接近初始值，抑瘤效果显著（图5C）。第21天眼球重量测定表明，仅MCNs/Ln/GD/FR（IV）和（IVT）两组与健康眼无显著差异，进一步证实其协同治疗作用（图5D）。红外热成像结果显示，MCNs/Ln/GD/FR（IV）组眼部温度升高显著（P = 0.0011），接近IVT组水平，说明FA与R8修饰增强了经静脉注射的肿瘤靶向性与治疗效果（图5E, F）。H&E染色显示，PBS组眼球严重变形，DOX与MCNs/Ln/GD组肿瘤减小但仍明显；MCNs/Ln/GD/FR组（IVT）虽肿瘤更小，但存在视网膜剥离及玻璃体缩小现象；相比之下，MCNs/Ln/GD/FR（IV）组几乎无明显视网膜损伤，提示其温和治疗方案更具安全性（图5G, H）。

图5. MCNs/Ln/GD/FR NPs在原位黑色素瘤模型中的协同治疗效果。（A）原位黑色素瘤建模与干预流程示意图；（B）不同处理组OCM-1-Luc荷瘤小鼠眼部的活体荧光成像图；（C）各组相对肿瘤荧光强度变化曲线；（D）不同组小鼠眼球重量比较；（E）980 nm激光照射下不同处理组小鼠的眼部热成像图；（F）各组小鼠眼部温度变化曲线；（G）各组眼组织的H&E染色图；（H）两种给药方式下MCNs/Ln/GD/FR NPs在原位黑色素瘤中的作用机制示意图

（7）MCNs/Ln/GD/FR纳米粒的体内安全性评价

为进一步评估MCNs/Ln/GD/FR NPs在PTT治疗后的潜在毒性，开展了溶血实验、组织H&E染色、ICP元素分析及血液生化检测。结果显示，红细胞溶血率在纳米颗粒浓度为200 μg mL⁻¹时约为1.33%，表明材料具良好的血液相容性（图6A）。一系列器官的H&E染色未发现心、肝、脾、肺及肾的病理性损伤（图6B）。ICP分析显示，经尾静脉注射治疗1个月后，组织中钇（Y）含量显著下降，肝脏中Y含量由初始的20 mg kg⁻¹降至约2.4 mg kg⁻¹，提示该纳米颗粒具有代谢能力（图6C）。血液生化检测于第15天和第30天分别进行（n=5），PBS组为对照。结果显示，除AST略高于对照组但仍在正常范围外，其余肝肾功能指标均无异常，未见明显炎症或毒性反应（图6D）。此外，通过TUNEL染色进一步评估其在眼组织的安全性。图6E显示，两组（MCNs/Ln/GD/FR(IV)与IVT）肿瘤区均有明显凋亡阳性信号，说明材料具有效抗瘤能力。然而，IVT组在非肿瘤区域亦观察到较强绿荧光，提示其在光热治疗中可能对视网膜等组织造成损伤。而IV组非肿瘤区域荧光信号较弱，结合HE染色结果，表明尾静脉注射更利于材料靶向聚集于肿瘤区域，减少对健康眼组织的影响，安全性更佳。

图6. PPT治疗后体内安全性评估。（A）不同浓度MCNs/Ln/GD/FR NPs的溶血实验；（B）不同处理周期小鼠主要器官的H&E染色图；（C）治疗一个月后各组织中Y元素的ICP分析结果；（D）注射后第0、15和30天小鼠血清生化指标分析；（E）MCNs/Ln/GD/FR（IV）与（IVT）组眼组织的TUNEL染色图（R：视网膜，T：肿瘤）

（8）MCNs/Ln/GD/FR纳米粒可能的抗肿瘤机制

为探究MCNs/Ln/GD/FR NPs抑制黑色素瘤生长的机制，采用单细胞RNA测序（scRNA-seq）对MCNs/Ln/GD/FR组与PBS组小鼠来源的肿瘤细胞进行分析。共收集PBS组9650个细胞，MCNs/Ln/GD/FR组7361个细胞（图7A–C）。通过主成分分析，识别出8类肿瘤细胞亚群。热图显示光热治疗激活了热休克蛋白（HSP）相关通路，治疗组中HSP表达显著下调，提示GA发挥抑制热耐受和促进凋亡的作用（图7D, E）。PHLDA1⁺肿瘤细胞在治疗组比例增至21.3%（PBS组为5.3%）（图7F），其基因表达轨迹中PHLDA1表达持续增强（图7G），提示其与抗药性逆转及疗效提升相关。GO与KEGG富集分析显示其参与“氧化应激反应”“TNF产生正调控”等，暗示通过上调细胞周期相关蛋白、下调抑凋亡蛋白促进凋亡与抗肿瘤活性。CIBERSORT结合TCGA-UVM数据库结果进一步表明，高PHLDA1表达与T分期、M分期降低和更佳预后相关（图7I–N），表明PHLDA1⁺细胞比例升高有助于提升总生存率。综上，MCNs/Ln/GD/FR NPs通过激活抑瘤信号通路、抑制增殖与分化相关基因，诱导肿瘤细胞分化并提高对DOX的敏感性，发挥显著抗肿瘤活性。

图7. PBS组与MCNs/Ln/GD/FR组在黑色素瘤中的单细胞转录组分析。（A–C）识别出的8个特征性细胞亚群；（D）热休克蛋白相关编码基因的表达；（E）不同细胞亚群中HSP相关蛋白的变化；（F）两组间各细胞亚群占比；（G）PHLDA1阳性细胞富集水平及PHLDA1基因表达水平对生存率的影响；（H）MCNs/Ln/GD/FR组中PHLDA1⁺与PHLDA1⁻肿瘤细胞的差异表达前20位基因；（I–L）PHLDA1表达与临床分期的关联，包括T分期、N分期、M分期及整体分期分布；（M, N）不同PHLDA1表达组的Kaplan-Meier生存分析