石墨烯及其衍生物载药研究进展

发布时间：2020-01-15

　　【摘要】石墨烯是一种具有大的表面积、良好的化学稳定性、机械稳定性及生物相容性的二维平面结构材料。本文综述石墨烯及其衍生物在载药系统的研究进展。在生物医学领域，石墨烯及其衍生物有望作为药物传输系统进行体内给药。

　　【关键词】石墨烯;药物载体;安全性

　　癌症(肿瘤)已经成为威胁人类生命健康的世界性公共卫生问题。而传统化疗药物存在靶向不明显、毒副作用大等弊端。寻找高效、靶向性好的新型抗肿瘤药物载药系统迫在眉睫。石墨烯(graphene)及其衍生物作为一种新型无机载体材料，具有优良的可修饰性、易于携带药物分子等特性，近年来在生物医学领域受尤其是在肿瘤治疗的药物载体研究方面备受关注，取得很大研究进展。

　　石墨烯，是一种由单层碳原子以sp2轨道杂化形成的六角蜂巢状的平面薄膜，在2004年由英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地从石墨中分离出来。石墨烯虽然只有原子尺度的厚度但却是最坚硬的材料。它当中每个原子都是表面原子，因而形成巨大的表面积比(~2630m2﹒g-1);它几乎完全透明，仅吸收2.3%的光，导热系数高达5300W/m﹒K;它具有超高电子迁移率，常温下可以超过15000cm2/V﹒s，远高于碳纳米管和硅晶体;它的电阻率只有10-6Ω﹒cm，低于铜和银的电阻率，是世界上电阻率最低的材料[1-2]。石墨烯以这些独特的光电特性吸引了研究人员发掘其在生物医学领域内的应用，尤其是在构建药物传输系统方面。石墨烯基纳米结构，如氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)、还原氧化石墨烯(reducedgrapheneoxide，RGO)以及复合物体系，通过共价键或非共价键作用与药物分子进行聚合后，可获得高载药率、良好的水溶性和靶向性[3]。因此石墨烯基药物传输系统有望在癌症治疗方面发挥独特作用。本文重点讨论石墨烯在药物传输系统方面的研究进展。

　　石墨烯的毒性研究。石墨烯及其衍生物对人体健康并非没有风险。因此，系统了解石墨烯及其衍生物的毒性和生物相容性是进行药物传输研究的前提。有研究表明，石墨烯及其衍生物可以破坏细胞的生物结构。例如，Zhang等[4]研究了石墨烯对嗜铬神经细胞瘤PC12细胞的影响，证明材料的形状和浓度与其诱导的细胞毒性直接相关。Lammel等[5]研究表明石墨烯材料浓度和作用时间对肝癌细胞株细胞质膜损伤程度有影响。石墨烯的细胞毒性同样也会影响肿瘤细胞。Chowdhury等[6]研究了石墨烯衍生物对HeLa、MCF-7、SKBR3和NIH3T3四种细胞系的毒性。石墨烯衍生物对这四种细胞系具有剂量依赖性、时间依赖性和差异性的细胞毒性作用。石墨烯基材料对某些癌细胞、细菌、真菌具有毒性，但同时对正常细胞也存在副作用。因此，需要对其进行改性，以实现载药材料的生物相容性和无毒性。研究表明，采用亲水性高分子材料修饰GO，是进一步提高GO安全性的有效途径。此外，聚乙二醇是可用于人体的无毒材料，可用于修饰石墨烯及衍生物。

　　从给药开始，药物在体内的分布、传输将会影响治疗药物的吸收利用。到达需要治疗目标的药物剂量不足，所以在给药时需要增加药物剂量。而药物载体是在药物传递过程中使用的载体，它提高了药物的选择性、效率和安全性。药物载体可控制药物释放，降低毒性，改进该化合物的药物动力学。使用药物载体可以将药物导入疾病部位并在局部释放。而对载药材料来说，生物相容性及其重要。石墨烯具有大的比表面积，层内C原子共同形成大π键，可通过π-π非共价的堆积结合疏水相互作用吸附客体药物分子，实现难溶药物的高载药量。

　　Wu等[7]在细胞水平上对氧化石墨烯(GO)作为抗肿瘤药物阿霉素(DOX)载体的安全性进行了研究。研究了GO、DOX和GO负载DOX对人体多发性骨髓瘤细胞(RPMI-8226)的抗肿瘤作用。治疗后24h用细胞计数试剂盒检测细胞活力。研究发现GO和GO/DOX诱导的细胞凋亡，改变了细胞周期。研究表明，GO对RPMI-8226细胞的低杀伤作用。与游离DOX相比，GO/DOX处理的细胞减少幅度更大。流式细胞仪分析显示，GO/DOX复合物和DOX细胞死亡的主要形式是细胞凋亡。研究发现纯GO不能诱导细胞凋亡和RPMI-8226细胞周期的改变。Dai课题组[8]对GO作为阿霉素的药物载体进行了研究。利用强亲水性分子聚乙二醇(PEG)对GO进行功能化修饰，提高了PEG-GO药物载体在生理溶液中的稳定性及分散性。通过π-π非共价的堆积作用吸附难溶性抗肿瘤药物喜树碱衍生物SN38，吸附药物后的GO-PEG-SN38复合物对肿瘤细胞具有选择性，同时对肿瘤细胞的杀伤力大大增加。

　　研究表明，非功能化石墨烯常常不足以改善药物对肿瘤的传递。Jung等[9]人对功能化纳米石墨烯氧化物NGO作为抗癌药物载体进行了研究。成功制备的纳米石墨烯氧化物-透明质酸(NGO-HA)复合物，通过HA受体介导的内吞作用和π-π非共价的堆积作用，对NGO进行了改性。实验证明，该复合物具有pH依赖的药物释放特性及靶向特异抗癌作用。

　　姜英虹所在课题组采用连续7d尾静脉注射不同浓度GO的方法，评价GO对SD雄性大鼠的亚急性毒理学作用，结果表明，GO具有较好的生物安全性，在试验时间和剂量范围(每周2次，2.5~10mg·kg-1)内，GO对机体的影响不大[10]。作为一种纳米载体，石墨烯衍生物可以实现良好的靶向性和控释性能。Li等对Fe3O4负载抗癌药物β-lapa-chone(β-lap)治疗乳腺癌细胞(MCF-7)进行了研究。载体中由于加入约18.6%的Fe3O4而具有磁性，可将其应用于药物装载和可控释放等方面。对抗癌药物进行生物毒性测试表明：Fe3O4/GO复合物几乎无细胞毒性，Fe3O4/GO/β-lap对乳腺癌细胞(MCF-7)有显著的细胞毒性作用[11]。Yang课题组还将叶酸连接到Fe3O4/GO上，形成了分子受体-磁性的双靶向给药系统[12]。

　　为理解石墨烯与被吸附分子间的作用本质，Wu等[13]采用分子动力学模拟(MD)的方法进一步研究石墨烯与生物分子(L-leucine)的复合体系。结果发现，L-leucine与石墨烯之间为物理吸附，且L-leucine在石墨烯片上趋于平行分布;范德华作用在吸附过程中起主导作用，且L-leucine分子可在水溶液中自发吸附在石墨烯上。刘轶课题组[14]通过在石墨烯片层上分别搭载抗癌药物分子CE6、DOX、MTX、SN38，构建多种石墨烯-药物分子复合体系。然后通过分子动力学模拟考察石墨烯片层大小、药物分子的种类、数目以及搭载方式对复合体系结合强度和药物分子扩散的影响。

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　　石墨烯及其衍生物是具有大的表面积、良好的化学稳定性、机械稳定性及生物相容性的二维平面结构材料。在生物医学领域，石墨烯有望作为药物传输系统进行体内给药。各种生物分子，如聚合物，蛋白质，碳水化合物和抗癌药物可以成功地加载到石墨烯及其衍生物表面。石墨烯衍生物的功能化修饰能够提高药物对肿瘤细胞的传输。然而，目前对石墨烯及其衍生物在抗肿瘤药物载药系统中的应用仍存在很大局限性和不确定性，存在的挑战还很大，需要进一步深入研究。首先，石墨烯及其衍生物在生物体内的长期毒性仍需要进一步系统研究。其次，石墨烯及其衍生物与药物分子的相互作用机制仍需要进一步探索，以实现高效载药和可控释放。第三，石墨烯及其衍生物与肿瘤细胞、正常细胞的相互作用机制尚需明确。石墨烯及其衍生物在生物体内应用，面临的最大问题就是其使用的安全性。虽然有研究表明，石墨烯对生物体毒性较低，但在高浓度石墨烯环境下，仍然会导致细胞生存能力的损失。解决这些问题，将促进石墨烯及其衍生物在抗癌治疗中的更有效的应用。总之，石墨烯及其衍生物在药物载体方面的应用既存在机遇也存在挑战，因此，其必将成为载药系统研究领域的热点。