石墨烯及其衍生物載藥研究進展

張訓江 張 濤 段穎妮

（新疆醫科大學醫學工程技術學院，新疆 烏魯木齊 830011）

癌癥（腫瘤）已經成為威脅人類生命健康的世界性公共衛生問題。 而傳統化療藥物存在靶向不明顯、毒副作用大等弊端。 尋找高效、 靶向性好的新型抗腫瘤藥物載藥系統迫在眉睫。石墨烯（graphene）及其衍生物作為一種新型無機載體材料， 具有優良的可修飾性、易于攜帶藥物分子等特性， 近年來在生物醫學領域受尤其是在腫瘤治療的藥物載體研究方面備受關注，取得很大研究進展。

石墨烯，是一種由單層碳原子以sp2軌道雜化形成的六角蜂巢狀的平面薄膜，在2004 年由英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地從石墨中分離出來。 石墨烯雖然只有原子尺度的厚度但卻是最堅硬的材料。 它當中每個原子都是表面原子，因而形成巨大的表面積比(～2630m2﹒g-1)；它幾乎完全透明， 僅吸收2.3%的光， 導熱系數高達5300 W/m﹒K； 它具有超高電子遷移率， 常溫下可以超過15000cm2/V﹒s，遠高于碳納米管和硅晶體；它的電阻率只有10-6 Ω﹒cm，低于銅和銀的電阻率，是世界上電阻率最低的材料[1-2]。 石墨烯以這些獨特的光電特性吸引了研究人員發掘其在生物醫學領域內的應用，尤其是在構建藥物傳輸系統方面。 石墨烯基納米結構，如氧化石墨烯 （graphene oxide，GO）、 還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，RGO）以及復合物體系，通過共價鍵或非共價鍵作用與藥物分子進行聚合后， 可獲得高載藥率、良好的水溶性和靶向性[3]。因此石墨烯基藥物傳輸系統有望在癌癥治療方面發揮獨特作用。 本文重點討論石墨烯在藥物傳輸系統方面的研究進展。

石墨烯的毒性研究。 石墨烯及其衍生物對人體健康并非沒有風險。 因此， 系統了解石墨烯及其衍生物的毒性和生物相容性是進行藥物傳輸研究的前提。 有研究表明， 石墨烯及其衍生物可以破壞細胞的生物結構。 例如，Zhang 等[4]研究了石墨烯對嗜鉻神經細胞瘤PC12 細胞的影響，證明材料的形狀和濃度與其誘導的細胞毒性直接相關。 Lammel 等[5]研究表明石墨烯材料濃度和作用時間對肝癌細胞株細胞質膜損傷程度有影響。 石墨烯的細胞毒性同樣也會影響腫瘤細胞。Chowdhury 等[6]研究了石墨烯衍生物對HeLa、MCF-7、SKBR 3 和NIH3T3 四種細胞系的毒性。 石墨烯衍生物對這四種細胞系具有劑量依賴性、 時間依賴性和差異性的細胞毒性作用。 石墨烯基材料對某些癌細胞、細菌、真菌具有毒性，但同時對正常細胞也存在副作用。因此， 需要對其進行改性， 以實現載藥材料的生物相容性和無毒性。 研究表明， 采用親水性高分子材料修飾GO，是進一步提高GO 安全性的有效途徑。此外，聚乙二醇是可用于人體的無毒材料， 可用于修飾石墨烯及衍生物。

從給藥開始，藥物在體內的分布、傳輸將會影響治療藥物的吸收利用。 到達需要治療目標的藥物劑量不足， 所以在給藥時需要增加藥物劑量。 而藥物載體是在藥物傳遞過程中使用的載體， 它提高了藥物的選擇性、效率和安全性。 藥物載體可控制藥物釋放，降低毒性， 改進該化合物的藥物動力學。 使用藥物載體可以將藥物導入疾病部位并在局部釋放。 而對載藥材料來說，生物相容性及其重要。 石墨烯具有大的比表面積，層內C 原子共同形成大π 鍵， 可通過π-π 非共價的堆積結合疏水相互作用吸附客體藥物分子， 實現難溶藥物的高載藥量。

Wu 等[7]在細胞水平上對氧化石墨烯（GO）作為抗腫瘤藥物阿霉素（DOX）載體的安全性進行了研究。 研究了GO、DOX 和GO 負載DOX 對人體多發性骨髓瘤細胞（RPMI-8226）的抗腫瘤作用。 治療后24h 用細胞計數試劑盒檢測細胞活力。 研究發現GO 和GO/DOX誘導的細胞凋亡，改變了細胞周期。 研究表明，GO 對RPMI-8226 細胞的低殺傷作用。與游離DOX 相比，GO/DOX 處理的細胞減少幅度更大。 流式細胞儀分析顯示，GO/DOX 復合物和DOX 細胞死亡的主要形式是細胞凋亡。 研究發現純GO 不能誘導細胞凋亡和RPMI-8226 細胞周期的改變。Dai 課題組[8]對GO 作為阿霉素的藥物載體進行了研究。 利用強親水性分子聚乙二醇（PEG） 對GO 進 行 功 能 化 修 飾， 提 高 了PEG-GO 藥 物載體在生理溶液中的穩定性及分散性。通過π-π 非共價的堆積作用吸附難溶性抗腫瘤藥物喜樹堿衍生物SN38， 吸附藥物后的GO-PEG-SN38 復合物對腫瘤細胞具有選擇性，同時對腫瘤細胞的殺傷力大大增加。

研究表明， 非功能化石墨烯常常不足以改善藥物對腫瘤的傳遞。 Jung 等[9]人對功能化納米石墨烯氧化物NGO 作為抗癌藥物載體進行了研究。成功制備的納米石墨烯氧化物-透明質酸 (NGO-HA) 復合物， 通過HA 受體介導的內吞作用和π-π 非共價的堆積作用，對NGO 進行了改性。實驗證明，該復合物具有pH 依賴的藥物釋放特性及靶向特異抗癌作用。

姜英虹所在課題組采用連續7d 尾靜脈注射不同濃度GO 的方法， 評價GO 對SD 雄性大鼠的亞急性毒理學作用， 結果表明，GO 具有較好的生物安全性，在試驗時間和劑量范圍（每周2 次，2.5～10mg·kg-1）內，GO 對機體的影響不大[10]。 作為一種納米載體，石墨烯衍生物可以實現良好的靶向性和控釋性能。 Li 等對Fe3O4負載抗癌藥物β-lapa-chone（β-lap）治療乳腺癌細胞（MCF-7）進行了研究。 載體中由于加入約18.6%的Fe3O4而具有磁性，可將其應用于藥物裝載和可控釋放等方面。 對抗癌藥物進行生物毒性測試表明：Fe3O4／GO 復合物幾乎無細胞毒性，Fe3O4/GO/β-lap 對乳腺癌細胞(MCF-7)有顯著的細胞毒性作用[11]。 Yang 課題組還將葉酸連接到Fe3O4／GO 上， 形成了分子受體-磁性的雙靶向給藥系統[12]。

為理解石墨烯與被吸附分子間的作用本質，Wu 等[13]采用分子動力學模擬（MD）的方法進一步研究石墨烯與生物分子（L-leucine）的復合體系。結果發現，L-leucine與石墨烯之間為物理吸附，且L-leucine 在石墨烯片上趨于平行分布； 范德華作用在吸附過程中起主導作用，且L-leucine 分子可在水溶液中自發吸附在石墨烯上。 劉軼課題組[14]通過在石墨烯片層上分別搭載抗癌藥物分子CE6、DOX、MTX、SN38， 構建多種石墨烯-藥物分子復合體系。 然后通過分子動力學模擬考察石墨烯片層大小、 藥物分子的種類、 數目以及搭載方式對復合體系結合強度和藥物分子擴散的影響。

石墨烯及其衍生物是具有大的表面積、 良好的化學穩定性、 機械穩定性及生物相容性的二維平面結構材料。 在生物醫學領域， 石墨烯有望作為藥物傳輸系統進行體內給藥。 各種生物分子，如聚合物，蛋白質，碳水化合物和抗癌藥物可以成功地加載到石墨烯及其衍生物表面。 石墨烯衍生物的功能化修飾能夠提高藥物對腫瘤細胞的傳輸。 然而， 目前對石墨烯及其衍生物在抗腫瘤藥物載藥系統中的應用仍存在很大局限性和不確定性， 存在的挑戰還很大， 需要進一步深入研究。 首先， 石墨烯及其衍生物在生物體內的長期毒性仍需要進一步系統研究。 其次， 石墨烯及其衍生物與藥物分子的相互作用機制仍需要進一步探索， 以實現高效載藥和可控釋放。 第三， 石墨烯及其衍生物與腫瘤細胞、 正常細胞的相互作用機制尚需明確。 石墨烯及其衍生物在生物體內應用， 面臨的最大問題就是其使用的安全性。 雖然有研究表明， 石墨烯對生物體毒性較低， 但在高濃度石墨烯環境下， 仍然會導致細胞生存能力的損失。 解決這些問題， 將促進石墨烯及其衍生物在抗癌治療中的更有效的應用。 總之， 石墨烯及其衍生物在藥物載體方面的應用既存在機遇也存在挑戰，因此，其必將成為載藥系統研究領域的熱點。