石墨烯衍生物在腫瘤診治方面的應(yīng)用

周 亮，舒 婷

(湖北科技學(xué)院藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

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石墨烯衍生物在腫瘤診治方面的應(yīng)用

周 亮，舒 婷*

(湖北科技學(xué)院藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的二維新材料，它的氧化衍生物氧化石墨烯具有大的比表面積，優(yōu)異的光、熱、電性能，并含有大量的含氧活性基團(tuán)，從而可通過多種方式進(jìn)行功能化修飾改變其性能。生物化學(xué)功能化后的石墨烯衍生物在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出很多應(yīng)用潛能。本文概述了石墨烯衍生物材料在腫瘤診斷、抗癌藥物裝載、腫瘤治療方面的應(yīng)用，介紹了石墨烯及其衍生物在人體內(nèi)的生物相容性，最后對其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

石墨烯衍生物；氧化石墨烯；腫瘤診斷；腫瘤治療；藥物裝載

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的二維新材料，由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜[1]。石墨烯有著優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)，在材料、傳感器和能源方面都有廣泛的應(yīng)用[2]。

氧化石墨烯是石墨烯衍生物，含有大量的含氧活性基團(tuán)，如羰基、羥基、羧基和環(huán)氧基等。這些基團(tuán)的存在，使其既能夠通過化學(xué)鍵進(jìn)行共價鍵功能化修飾，又可以用π-π堆積、離子鍵和氫鍵等非共價鍵作用進(jìn)行表面功能化修飾。如添加某些特定的功能基團(tuán)，可增加石墨烯在水溶液或聚合物中的分散性[3]。石墨烯衍生物因其表面的活性基團(tuán)，具有良好的生物相容性和水溶液穩(wěn)定性，可在生理溶液中穩(wěn)定存在而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很多應(yīng)用。

目前，石墨烯及其衍生物主要應(yīng)用于生物檢測、生物成像、納米載藥系統(tǒng)和腫瘤治療等方面。本文綜述了近幾年石墨烯衍生物在腫瘤診斷和治療方面的應(yīng)用，并展望了未來的研究前景。

1 基于石墨烯及其衍生物制備的納米探針用于腫瘤診斷

1.1 石墨烯衍生物用于腫瘤檢測 將具有電子、光學(xué)或者磁性性質(zhì)的功能性納米粒子和石墨烯衍生物固定在一些特異性分子上做成探針，可用于制作生物傳感器，包括光學(xué)、磁性和電化學(xué)等多種生物傳感器。如果這些特異性分子具有靶向性，能跟腫瘤標(biāo)志物結(jié)合，該傳感器就可用于腫瘤的早期診斷、定位和療效檢測。

Gao等[4]用氧化石墨烯-多壁碳納米管水溶液與HAuCl4反應(yīng)，制得AuNPs/GO-MWCNTs，再修飾到玻碳電極上，制出一種α-甲胎蛋白電化學(xué)免疫傳感器，其具有良好的選擇性、穩(wěn)定性和重復(fù)性，檢測限為0.003ng/mL，能精確測量血清中肝癌細(xì)胞的有用標(biāo)志物—α-甲胎蛋白。這種制作簡單、靈敏度高的傳感器在肝癌的臨床診斷中有潛在的應(yīng)用價值。

Xia等[5]將抗-HER2抗體(Ab)、SKOV-3人卵巢癌細(xì)胞、抗-HER2抗體標(biāo)記的ssDNA(Bio)和cDNA依次修飾到氧化石墨烯修飾的玻碳電極上，得到cDNA/Bio/SK/Ab/GO/GCE電化學(xué)免疫電極，當(dāng)DNA的生物傳感器指示劑柔紅霉素插入cDNA和抗-HER2抗體標(biāo)記的ssDNA時，氧化石墨烯加強(qiáng)放大了氧化還原信號，對卵巢癌細(xì)胞的檢測敏感度很高，檢測限達(dá)到每毫升5.2個細(xì)胞。

Kumar等[6]用還原的氧化石墨烯修飾導(dǎo)電紙制備傳感器用作腫瘤的檢測，在腫瘤標(biāo)志物癌胚抗原的濃度為1～10ng/mL的檢測范圍內(nèi)，顯示了較高的25.8μA·mL/(ng·cm2)的靈敏度，該傳感器成本低，柔性可拋，有望取代常規(guī)的高成本的電極用做快速檢測。

1.2 石墨烯衍生物用于腫瘤成像 由于納米石墨烯及其衍生物固有的物理性質(zhì)特別是光學(xué)性質(zhì)，它們還可以用于生物醫(yī)學(xué)成像，為臨床醫(yī)師提供直接有效的腫瘤信息，應(yīng)用于以生物細(xì)胞成像為基礎(chǔ)的癌癥診斷及定位指導(dǎo)癌癥靶向治療。

Sun等[7]用聚乙二醇修飾的氧化石墨烯裝載抗癌藥物Rituxan，能得到幾乎沒有背景的近紅外活體細(xì)胞成像。

Ma等[8]合成的多功能超順磁性氧化鐵納米復(fù)合氧化石墨烯(GO-IONP)，然后與生物相容的聚乙二醇(PEG)結(jié)合，得到的GO-IONP-PEG在荷瘤小鼠體內(nèi)作為造影劑進(jìn)行磁共振成像和活體腫瘤的X光成像，還使用了光聲成像。相對于傳統(tǒng)光學(xué)成像，光聲成像可以顯著的增加成像深度。

用64Cu標(biāo)記光敏劑羥苯基苯妥因(HPPH)，再裝載到納米氧化石墨烯GO-PEG材料上，能進(jìn)行熒光成像和正電子發(fā)射斷層掃描[9]。

2 基于石墨烯衍生物的納米載藥系統(tǒng)用于腫瘤治療

2.1 裝載抗癌藥物 功能化后的氧化石墨烯具有生物相容性，能作為納米載體在體外和體內(nèi)進(jìn)行藥物傳遞。不同表面修飾的氧化石墨烯可以與各種抗癌藥物通過物理吸附或者共價連接在一起，文獻(xiàn)報道過的抗癌藥物有阿霉素(DOX)[10-12]、喜樹堿[13-14]、米托蒽醌[15]、鬼臼毒素[16]、甲氨蝶呤[17]、Rituxan、鞣花酸[18]、冬凌草甲素[19]、β‐拉帕醌[20]等。

Zhang等[12]將氧化石墨烯與肝素用己二酸二酰肼連接(GO-ADH-Hep)并負(fù)載DOX，該體系中DOX的負(fù)載率高，釋藥速率比純的DOX溶液明顯要慢并具有pH敏感性，在體內(nèi)的藥物代謝動力學(xué)研究表明GO-ADH-Hep/DOX納米復(fù)合物能顯著延長藥物在體內(nèi)的滯留時間。此外，GO-ADH-Hep能降低源自DOX溶液的心臟毒性和未修飾的氧化石墨烯的肺毒性。

Hou等[15]還成功地合成了透明質(zhì)酸(HA)-GO裝載的米托蒽醌，該藥物的釋放受酸堿度影響，在偏酸性的腫瘤細(xì)胞環(huán)境中，可增強(qiáng)藥物在腫瘤細(xì)胞中的靶向釋藥能力，延長停留時間，是一種很有前景的藥物載體。

Zhu等[16]用六臂聚乙二醇修飾的氧化石墨烯裝載不溶于水的鬼臼毒素，增強(qiáng)了藥物水溶性，同時降低了鬼臼毒素的細(xì)胞毒性。

2.2 基因轉(zhuǎn)染 基因治療是一種治療與基因有關(guān)的一些疾病包括腫瘤的新治療手段。由于GO表面具有很多羧基基團(tuán)，可以與聚醚酰亞胺、殼聚糖或者1-芘甲亞胺通過酰胺鍵、靜電作用或者疏水作用連接在一起，實現(xiàn)有效的DNA或siRNA輸送。

ssDNA和RNA可以直接非共價的吸附在氧化石墨烯的表面，并且GO可以高效攜帶ssDNA和RNA進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，獲得較高的轉(zhuǎn)染效率[21]。將氧化石墨烯用殼聚糖修飾，裝載p-DNA和難溶性抗腫瘤藥物喜樹堿，該給藥系統(tǒng)對喜樹堿具有明顯的緩釋作用，并且能將p-DNA高效轉(zhuǎn)運到腫瘤細(xì)胞內(nèi)[22]。

含有季銨基團(tuán)的殼寡糖與葉酸結(jié)合，再功能化修飾氧化石墨烯，裝載多藥耐藥基因MDR1 siRNA和阿霉素，比僅負(fù)載阿霉素對人乳腺癌細(xì)胞MCF-7的殺傷更大。體外實驗沒有明顯毒性，并且氧化石墨烯不影響實驗過程中的細(xì)胞成活率[23]。

2.3 裝載光熱試劑、光敏劑、放射性物質(zhì) 除了裝載傳統(tǒng)的抗癌化學(xué)藥物，石墨烯衍生物還可以裝載放射性物質(zhì)[9]、光敏劑[24]、光熱試劑[25-26]等進(jìn)行光動力、光熱治療。

以甲氧基聚乙二醇修飾納米氧化石墨烯后，通過π-π堆疊和疏水相互作用裝載光敏劑酞菁鋅(ZnPc)，載藥效率為14wt%。在氙光照射下，疏水性酞菁鋅對人乳腺癌細(xì)胞MCF-7有明顯的細(xì)胞毒性，可以用于光動力療法治療癌癥。體外實驗沒有明顯的毒性[24]。

Sheng等[25]制備了一種基于蛋白質(zhì)的還原氧化石墨烯納米復(fù)合材料，對荷瘤小鼠靜脈注射該復(fù)合材料，在腫瘤區(qū)域很快出現(xiàn)了顯著的光聲信號增強(qiáng)，表明它有被動靶向和光聲成像效果。近紅外激光照射后，由于納米石墨烯的光熱效應(yīng)，體外癌細(xì)胞大量消失，表明該材料還適合用于腫瘤的光熱療法。

Li等[26]將聚乙二醇化的氧化石墨烯還原同時與聚乙烯亞胺共浴得到雙功能化還原的石墨烯復(fù)合物(nr GO-PEG/PEI)作為藥物載體和近紅外光吸收劑，該復(fù)合物具有更低的毒性和更好的分散性，尤其在近紅外光808nm處的光吸收比未還原的聚乙二醇氧化石墨烯(nGO-PEG)增強(qiáng)了6520倍，DOX載藥量也增強(qiáng)了625倍。在近紅外光照射下，藥物在酸性環(huán)境下能有效釋放并具有顯著的抗腫瘤效果。

3 石墨烯衍生物的生物相容性和毒性

氧化石墨烯比石墨烯更具有生物相容性。氧化石墨烯具有劑量依賴性的細(xì)胞和動物的毒性，如誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和肺肉芽腫形成，不能通過腎臟清除[27]。它顯示出的細(xì)胞毒性受石墨烯納米材料的大小、形狀、溶解度和濃度的影響。良好的溶解性、分散性可以降低毒性。在已有的文獻(xiàn)中，很多氧化石墨烯納米材料都沒有顯示出明顯的細(xì)胞毒性[28]。當(dāng)前沒有公認(rèn)的或有足夠分量的體內(nèi)研究概述其毒性，關(guān)于氧化石墨烯衍生物的毒性研究還沒有權(quán)威性的結(jié)論。

4 結(jié) 語

介紹了石墨烯衍生物納米材料在腫瘤檢測、腫瘤成像、裝載抗腫瘤藥物和腫瘤治療幾個方面的應(yīng)用。由于石墨烯衍生物納米材料有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能，并且方便修飾和改造，其在腫瘤診治領(lǐng)域?qū)⒂泻芎玫膽?yīng)用前景。未來，一方面，我們可以在氧化石墨烯上面結(jié)合多種功能的分子，比如同時裝載有診斷效果和載藥治療效果的物質(zhì)，將診斷和治療同時進(jìn)行，做到診療一體化。例如裝載光敏劑到達(dá)腫瘤細(xì)胞的部位，既可以進(jìn)行生物成像定位腫瘤細(xì)胞，同時還可以多模態(tài)影像引導(dǎo)下腫瘤的光動力治療，減少用藥次數(shù)，降低患者的痛苦。再比如同時結(jié)合靶向物質(zhì)和治療物質(zhì)，實現(xiàn)靶向治療乃至多靶向治療。此外，還可以考慮多種藥物、多種方法協(xié)同治療。另一方面，在石墨烯衍生物的生物相容性和細(xì)胞毒性上可以做進(jìn)一步研究，以期望得到公認(rèn)的低毒性、可代謝或可從體內(nèi)排除的修飾方法，保證石墨烯衍生物治療的安全性、擴(kuò)大疾病治療的范圍。

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2017-03-02)