富勒烯及其衍生物在醫藥領域的應用研究進展

文麗君

（海南醫學院藥學院，海南 海口 571101）

富勒烯C60因其獨特的三維共軛結構賦予了它獨特的物理化學性質，為科學研究帶來了許多契機，被譽為21世紀的明星分子。去年曾有科技新聞報道:日本學者野入英世和中村榮一等成功地向動物體內植入可運載基因的富勒烯(C60),以用于醫學治療。該研究成果拉開了開發低毒高功能基因植入法的序幕。對富勒烯及其衍生物的生物活性研究結果表明它們在抗氧化活性和細胞保護作用、抑制HIV酶和抗病毒作用、藥物載帶、腫瘤治療和疾病診斷、抗菌活性等醫藥領域存在巨大的潛在應用價值。

一、富勒烯及其衍生物的抗氧化與神經保護作用

富勒烯表面有大量的共價雙鍵，極易與游離基反應，被喻為"吸收游離基的海綿"。正是由于這一特性，一些富勒烯衍生物可以作為生物系統中的自由基清除劑和水溶性的抗氧化劑。Chiang等[1~3]報道了富勒醇對胃癌病人血液中自由基的清除作用；還能清除黃嘌呤和黃嘌呤氧化酶在水溶液中產生的超氧自由基；證實六磺酸基富勒烯清除自由基抑制血漿中脂質過氧化，可以預防動脈粥樣硬化并抑制粥樣斑塊增生。Dugan[4]報道用羧基化富勒烯治療超氧化歧化酶基因編碼缺失的肌萎縮側索硬化癥轉基因小鼠模型，治療組不僅癥狀比對照組晚出現10天以上，而且生存期增加了8天以上；Ali[5]等人指出有些C60富勒烯衍生物在生物醫學上的抗自由基作用似乎跟超氧化歧化酵素(SOD)類似，但作用比SOD優越。Takada[6]等人研究發現C60富勒烯可直接與自由基作用，且捕捉自由基分子的速度明顯比β-胡蘿卜素快很多。

由于富勒烯及其衍生物能夠有效清除生物體內氧自由基，而同時很多疾病包括許多神經退行性病變如帕金森病、阿爾茨海默病和肌營養不良性側索硬化癥（amyotrophielater-al sclerosis，亦名 Lou Gehrig's Disease）的病因與自由基有關，這為我們開發新型的藥物提供了很好的思路。實驗證明富勒烯及其衍生物可以有效地減少神經元死亡。在醫學上,水溶性富勒烯作為常用的一類納米分子顆粒已被用作抗氧化劑[7,8]。

富勒烯清除自由基的性能也被用于化妝品開發。日本三菱公司[9]已推出"自由基海綿產品"，將富勒烯置入水溶性聚合物中，在皮膚表面使用后能捕獲皮膚因暴露在較強陽光下所產生的自由基，從而使皮膚看上去更光潔健康。

二、富勒烯及其衍生物的抑制生物酶活性和抗HIV病毒作用

最先發現C60衍生物的生物學效應是它對人免疫缺陷病毒蛋白酶（human immunodeficiency virus protease,HIVP）的抑制作用。Friedman[10]等報道C60的2-氨基乙基二苯基單琥珀酰亞胺衍生物對HIVP有抑制作用。HIVP對HIV的存活至關重要，它是一種天冬氨酸蛋白酶，HIV感染后，HIVP裂解一種多聚蛋白質，從而激活病毒逆轉錄酶，促使病毒增生。抑制HIVP可以終止HIV-I的生命周期。目前認為HIVP是抗病毒的主要靶點，HIVP抑制劑在臨床上得到廣泛應用。HIVP的活性位點是一個半開環的疏水橢圓體孔穴，其表面25位和525位有兩個天冬氨酸殘基，起催化作用。空穴直徑1nm，和富勒烯的直徑（0.71nm）相似。Friedman[11]等推測，由于C60分子直徑同HIVP活性部位的橢圓體孔穴直徑近似，且C60分子和HIVP活性部位的表面及孔穴內腔均為憎水性，它們之間可能會產生強烈的疏水相互作用，因此C60及其衍生物有可能堵住HIVP活性中心的孔穴，切斷病毒賴以生存的營養供給，從而抑制其活性，阻止HIV病毒生長。他們利用DOCK3程序建立了C60衍生物和HIVP形成的復合物的模型，模型計算表明，兩者復合物解離常數為10-6～10-9mol/L。在此基礎上 Sijbesma等[12]人合成了一種稱之為二酰胺基二酸二苯基C60的水溶性化合物，并測得它對HIVP的抑制常數K為5.3μmol/L。

RU2004/000208[13]發明一種在治療膜病毒導致的疾病中用于抑制這些病毒活性的基于富勒烯羧基陰離子的藥物，該藥物具有不受限的水溶性、所需生物利用度、對感染細胞的高效作用和低毒性，開發了用于治療人免疫缺陷病毒（HIV）、單純皰疹病毒(HSC)和丙型肝炎病毒（HCV）導致的感染性疾病的藥物組合物和方法。

RU2196602[14]提出了在基于氨基酸和富勒烯二肽衍生物的化合物幫助下抑制HIV復制和CMV感染的方法。富勒烯-一氨基-己酸和富勒烯-一氨基-丁酸的鈉鹽用作富勒烯氨基酸衍生物。

除HIVP外，C60衍生物也可抑制包括半胱氨酸蛋白酶、絲氨酸蛋白酶、谷胱甘肽轉移酶、谷胱甘肽還原酶和一氧化氮合酶[15]在內的其他酶的活性，如HIV逆轉錄酶（HIVRT）、C型肝炎病毒RNA 依賴的RNA聚合酶[16]。另外，宋高廣等[17]合成了富勒烯膦酸衍生物--二加成亞甲基富勒烯[60]二膦酸四乙酯（bis-methanophosphonate fullerene BMPF）納米粒，發現它對Taq DNA聚合酶及DNA外切酶Exo III具有抑制作用，并呈現濃度梯度依賴性，這種抑制作用是直接作用于酶而非體系中的其他物質，與活性氧自由基的產生無直接相關性。n-BMPF作為一種特異性酶學活性的抑制劑有望在生物醫學領域存在潛在應用前景。楊新林等[18,19]發現三丙二酸富勒烯（trimalonic acid C60,TMA C60)能抑制M-MuLV逆轉錄酶的活性，對DNA限制性內切酶Hind III和EcoR I及Taq DNA聚合酶都有抑制作用。

三、光動力學治療及腫瘤治療

血卟啉能敏化產生1O2,1O2具極高反應活性，可以殺死癌細胞。最近美國、日本等國家正式批準卟啉可以用于臨床。C60產生1O2的效率遠比卟啉高。C60受光激發后躍遷到單線態，隨即返回到三線態，把能量轉移給氧分子，產生單線態氧(1O2),C60這種通過光誘導產生單重態氧1O2的效率高達100%，被喻為"單重態氧的發生器"，可用于光動力學治療。

陳滇寶等[20]采用C60Cln/NaOH研磨法制備富勒醇，應用富勒醇進行人后癌細胞株Hep-2以及人宮頸癌細胞株Hela的生長抑制試驗，成功地觀察到了光動力殺傷和誘導癌細胞凋亡效應；用富勒醇處理過的癌細胞DNA化學染色強度減弱，死細胞具有凋亡細胞的形態特點，細胞骨架嚴重受損，屬于誘導凋亡機制。

DNA鏈的完整性和連續性是細胞正常生長的物質基礎。C60可以和ssDNA、dsDNA或帶發夾結構的dsDNA發生作用，在光照條件下，DNA鏈上的鳥嘌呤（G）處可發生選擇性斷裂，C60衍生物的這種作用給腫瘤治療帶來了新的途徑【21】。

中科院納米生物效應與安全性重點實驗室2004年首次發現金屬釓內包富勒烯Gd@C82(OH)22可以有效地抑制惡性腫瘤在小鼠體內的生長[22]。研究發現,具有高效低毒抑制腫瘤生長的Gd@C82(OH)22納米顆粒,可以促進對腫瘤耐藥細胞的內吞功能而有效地增加腫瘤細胞內的化療藥物有效致死濃度,通過阻斷DNA遺傳物質的復制進一步抑制耐藥腫瘤細胞的繁殖。金屬富勒烯Gd@C82(OH)22納米顆粒獨特藥效學功能研究為惡性腫瘤的有效治療開辟了一條新的治療途徑[23],也為新型納米藥物的研發和臨床應用提供了科學的實驗依據和理論基礎。

最近,趙宇亮研究組又進一步發現金屬富勒烯Gd@C82(OH)22納米顆粒可以在基因和蛋白水平同時調控腫瘤血管新生因子的表達,通過抑制腫瘤增殖所必需的新生血管形成而阻斷腫瘤的生長[24]。特異阻斷腫瘤新生血管的形成也為臨床治療具有耐藥性的實體瘤治療提供了新的研究思路。

四、富勒烯及其衍生物在診療方面的應用研究

Wharton等[25]通過六碘丙二肽胺與富勒烯反應制成高碘化的C60分子，為血管造影創造了一種全新技術。這一技術使得廢除導管注入成為可能。與普通造影劑相比，含碘富勒烯衍生物的球型結構降低了粘度，有利于隨血液快速進入組織；由于含有6個碘原子，藥物的用量將大大降低，減少了過敏等不良反應的發生率。

內嵌金屬富勒烯有多優異的物理和化學性質，使得它們有可能成為新的診斷和治療放射性藥物。作為新的MRI對比試劑，順磁性Gd內嵌金屬富勒烯能更為有效地提高馳豫能力，碳籠保護Gd金屬離子不會與外界發生化學反應，因而避免了裸露Gd離子的毒性。日本大家公司制藥公司已獲得Gd@C82作為MRI用造影劑的專利。Bolsker,Toth和Xenogiannopoulou等[26]還做了一項關于"Gd@C60[C(COOCH2CH3)2]10、Gd@C60(OH)X等衍生物的研究工作。作為MRI造影劑，這些化合物溶解性更好，不分布在網狀內皮組織，為合成更多的富勒烯為基礎的藥物化合物提供了很好的方向。

李宇國等[27]運用放射性核素67Ga標記技術研究了富勒烯衍生物C60(OH）x在小鼠體內的分布和代謝。研究結果表明，標記物很快被體內各臟器和組織攝取，主要分布在骨髓、骨、肝臟和脾中，不能通過血腦屏障.其分布具有微粒特征，通過皮下或肌肉注射，有望用于淋巴顯像劑或惡性淋巴腫瘤導向治療的藥物載體。

展望

綜上所述，富勒烯及其衍生物在清除游離基、抗艾滋病、抑制酶活性、切割DNA、疾病診療等方面具有獨特應用。但許多問題有待進一步深入，如如何改善富勒烯在水性生物體系的溶解性；其次是運用分子設計的方法，系統地將具特定藥理功能的基團加到富勒烯分子上，研究它們的生物活性，代謝和毒性。隨著對富勒烯及其衍生物的進一步研究及其在生物化學、生物醫學、藥物學等諸多學科領域中的應用，富勒烯及其衍生物將向人們展示其獨有的和重要的學術價值和社會效益。

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