石墨烯及其衍生物氧化石墨烯作为新型药物载体材料在肿瘤治疗领域的应用研究

赵媛媛，殷婷婕，霍美蓉，周建平

（中国药科大学天然药物活性组分与药效国家重点实验室，江苏 南京 210009）

·新技术·新方法·
NEW TECHNOLOGY AND NEW METHOD

石墨烯及其衍生物氧化石墨烯作为新型药物载体材料在肿瘤治疗领域的应用研究

赵媛媛，殷婷婕，霍美蓉*，周建平**

（中国药科大学天然药物活性组分与药效国家重点实验室，江苏 南京 210009）

石墨烯及其衍生物氧化石墨烯因具有水溶性好、比表面积大、载药量高以及易于修饰等优势，近年来在生物医药领域尤其在肿瘤治疗领域的应用研究发展迅速。综述石墨烯及氧化石墨烯作为新型药物载体材料所具有的特性和生物安全性、表面修饰方式以及在肿瘤靶向递药系统中的应用，为其在生物医药领域的应用研究提供新方法和新思路。

石墨烯；氧化石墨烯；表面修饰；药物载体；肿瘤靶向递药；安全性

众所周知，癌症（肿瘤）已经成为威胁人类生命健康的世界性问题，而药物化学治疗是目前临床治疗肿瘤的主要方法之一。但传统化疗药物不可避免的存在着专一性差、全身毒副作用大等弊端，所以寻找具有靶向性的高效新型药物递送系统成为是肿瘤治疗领域的热点课题。石墨烯（graphene）及其衍生物作为一种新型无机载体材料，由于拥有载药量高、易于修饰等特性，近年来在生物医学领域受到极大关注，尤其在肿瘤治疗领域的应用研究备受关注。

1 石墨烯及其衍生物

石墨烯属于富勒烯，是由碳原子以sp2方式杂化而成的具有二维（2D）蜂窝状片层结构的纳米材料[1]，其厚度仅为0.335 nm，是迄今为止发现的最薄的纳米材料[2]。自2004年英国曼彻斯特大学Andre Geim和Konstantin Novoselov教授通过微机械剥离法从石墨中剥离出石墨烯以来，因具有独特且优良的光学、电学、热学和力学性能，石墨烯在能源材料[3]、电子传感器[4]、生物医学[5]等领域的应用研究备受关注，应用前景广阔，而这两位科学家也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖[6]。近几年石墨烯在生物医学领域的应用研究发展迅速，而研究较多的通常为石墨烯的衍生物——氧化石墨烯（graphene oxide, GO）。GO是石墨烯的氧化产物，含有大量的羟基、羧基和环氧基团[7-8]，这些含氧活性基团的引入不仅使其拥有良好的水溶性和稳定性，而且可使GO更易于修饰而具有功能化作用。除此之外，GO两面均具有芳香结构，且比表面积较大（2 600 m2·g-1），可通过π-π共轭、氢键和疏水效应等非共价键与单链DNA和RNA以及芳香类药物分子如阿霉素（doxorubicin, DOX）、喜树碱（camptothecin, CPT）及其衍生物等结合，理论负载量高达200 %[9-10]。2008年Dai课题组首次报道了利用强亲水性分子聚乙二醇（PEG）对GO进行功能化修饰，得到的新型药物载体在生理溶液中稳定性及分散性均良好，且通过非共价物理吸附难溶性抗肿瘤药物喜树碱衍生物SN38，制备出GO-PEG-SN38复合物，用于结肠癌的治疗研究，结果发现，GO-PEG-SN38不仅载药量增加了，且有良好的抗肿瘤活性[11]。此后，GO被广泛应用于生物医学领域。

2 石墨烯及其衍生物的生物安全性

将石墨烯应用于临床，需要进行广泛的体外和体内研究，而其生物相容性和毒性可通过细胞和动物模型予以考察及评价。研究表明，增强石墨烯的水分散性或水溶性，可提高其生物相容性。相对于石墨烯本身，GO富含的羧基、羟基、环氧基等含氧活性基团都会增强其水溶性，表明GO的安全性要高于石墨烯，但仍可能存在一定的细胞毒性[12]。Chang等[13]利用非小细胞肺癌A549细胞，通过体外细胞毒性试验，对GO的毒性进行了系统性评价，结果表明，GO不会进入到A549细胞内，因此它不会有明显毒性；但GO会引起细胞的剂量依赖性氧化应激，所以它在高浓度（200 mg·L-1）时会导致细胞生存能力略有降低。姜英虹所在课题组采用连续7 d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，2.5～10 mg·kg-1） 内，GO对机体的影响不大[14]。这些结果可为GO在生物医学等多领域的应用提供科学依据，也提示高浓度GO的细胞毒性极大地限制了其临床应用。

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。An等[15]用明胶修饰GO，结果发现，明胶修饰可使石墨烯在水或各种生理溶液中保持良好的分散性和稳定性；且细胞毒性试验考察了A549细胞与明胶修饰的GO共孵育24 h和48 h后的相对存活率，结果显示，明胶修饰的GO在0～300 mg·L-1浓度下几乎无毒性，是一个安全、良好的载体。Miao等[16]对比了胆甾醇透明质酸（CHA）修饰前后的GO的安全性，细胞毒性实验结果显示，10 mg·L-1的GO经CHA修饰前后所致细胞存活率分别为80.0%和89.0%，且在0～40 mg·L-1浓度范围内，GO经CHA修饰后所致细胞存活率均高于其修饰前，说明GO经CHA修饰后安全性提高。Song等[17]以透明质酸（HA）修饰GO，结果，细胞毒性试验发现，所得HA-GO复合物与人肝癌细胞HepG2和脑微血管内皮细胞（RBMEC）共孵育24 h后，受试细胞几乎未显现毒性反应；即便HA-GO在最高浓度100 mg·L-1下，受试细胞的相对存活率仍可保持在90 %以上，HA-GO表现出极佳的安全性。

3 石墨烯及其衍生物的表面修饰

尽管石墨烯及其衍生物GO易分散于水中，但在高盐高蛋白溶液（如磷酸盐缓冲溶液、细胞培养液、血清等）中容易聚集，这可能是因为盐溶液对石墨烯的电荷屏蔽效应以及石墨烯对蛋白类物质的特异性吸附作用所导致[18]。除此之外，石墨烯和GO在体内并不具有靶向性等各种功能化作用，因此可以利用石墨烯的特性对其进行共价和非共价修饰，以改善其生理稳定性，并赋予其靶向性等新功能。

3.1 共价修饰

鉴于GO含有丰富的活性基团，如羧基、环氧基和羟基等，故可与多种亲水性大分子通过共价键连接，从而改善其稳定性、水溶性，并获得多功能化。GO的亲核取代反应主要利用了环氧基团连接氨基。Shan等[19]利用GO表面的环氧基与聚赖氨酸（PLL）上的氨基共价结合，从而实现对GO的功能化修饰。Wang等[20]采用溶剂热法，将GO与烯丙基胺共价结合，以增强GO的亲水性。不过，目前文献报道的对GO的共价修饰，主要是利用GO的羧基与PEG[11]、壳聚糖（CS）[21]、聚醚酰亚胺（PEI）[22]、聚乙烯醇（PVA）[23]、聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAM）[24]、两亲性聚合物[25]等共价结合，从而提高GO的生物相容性，并赋予其新功能。因此，人们为了提高GO的羧基含量，常对GO进行羧基化处理，以便于GO的进一步功能化修饰。Wen等[26]通过强碱性环境下在GO水溶液中加入氯乙酸，促使GO上部分羟基转化为羧基，提高GO的羧基含量，从而使GO能提供更多的可修饰基团。Zhang等[27]也采用相同方法，达到增加GO羧基含量的目的。

赋予载体靶向性，将药物特异性递送到肿瘤组织，并在肿瘤组织蓄积，可提高药物的抗肿瘤效率。目前，提高药物载体靶向性的常用方法是将特异性配体和载体结合，从而使载体能识别肿瘤细胞表面的特异性受体，实现载体对肿瘤的靶向性。靶向配体如叶酸（FA）、HA等，都可用于修饰GO而制备靶向递药系统。如，Zhang等[27]将FA共价结合于GO的羧基，制得靶向递药载体FA-GO，实验发现，FA-GO不仅可在D-Hanks缓冲溶液中稳定分散长达数月，而且可靶向结合到FA受体过度表达的人乳腺癌细胞MCF-7上；细胞摄取实验表明，将DOX和CPT通过π-π共轭共同结合到FA-GO上而制得的靶向递药系统，可特异性与MCF-7细胞结合，细胞毒性明显增强。近年来，有研究发现肿瘤细胞表面存在HA特定受体，其中对CD44的研究最为广泛、深入，因此，人们利用HA及其衍生物能与肿瘤细胞表面HA受体专一性结合的特性，通过受体-配体机制，实现HA修饰的药物载体的靶向递送[28-29]。Wu等[30]以己二酸二酰肼作为连接臂，将HA和GO相连，合成了最终载体GO-HA聚合物，并经实验验证了载有DOX的GO-HA（GO-HA/DOX）可通过受体介导的胞吞作用而将药物靶向递送至肿瘤细胞中：选取CD44过度表达的人宫颈癌HeLa细胞和正常组织L929细胞进行细胞摄取实验，结果，与GO-HA/DOX共孵育后，HeLa细胞组可观察到强烈的红色荧光，但L929细胞组几乎无荧光，表明GO-HA/DOX靶向性好，可被肿瘤细胞特异性摄取，抗肿瘤效果增强。此外，该载体稳定性、水溶性较好，且安全性良好，对HeLa和L929细胞几乎无毒性。

3.2 非共价修饰

除共价修饰外，还可利用高分子或生物大分子通过范德华力、氢键、静电相互作用、疏水作用和π-π共轭等非共价修饰石墨烯及GO。GO的非共价修饰方法包括包裹聚合物、吸附表面活性剂或大分子物质以及与卟啉类化合物或生物分子（DNA和肽类）的交互作用等。Robinson等[31]分别用PEG共价修饰GO以及用PEG化磷脂非共价吸附还原型GO（rGO），并对两种修饰方法进行比较。结果发现，两种修饰方法均能提高GO的生物相容性，但非共价修饰产物磷脂-PEG-rGO的稳定性更好，近红外（NIR）吸收能力是共价修饰产物PEG-GO的6倍，其再连接靶向肽类Arg-Gly-Asp（RGD），则可选择性地被恶性胶质瘤U87MG细胞摄取。Feng等[32]利用GO表面带有的负电荷，通过静电吸附带有正电荷的PEI聚合物，实现对GO的非共价修饰。实验显示，此非共价修饰所得GO-PEI可降低细胞毒性，并提高GO在生理溶液中的稳定性。

非共价修饰同样可赋予GO靶向性。Depan等[33]报道了一种新颖的药物靶向递送系统，即将带正电的FA连接到壳聚糖（CHI）上，然后再用于包裹GO，得到CHI-FA-GO纳米载体，这种FA非共价修饰的载体可负载超高剂量的DOX，而且具有生物靶向能力，可通过靶向作用于多种肿瘤细胞中过度表达的FA受体而识别肿瘤细胞。Yang等[34]将GO通过π-π共轭而连接DOX和金刚烷卟啉，金刚烷卟啉再作为连接臂通过主客体相互作用而连接FA修饰的β-环糊精（FA-CD），最终构建了一个纳米超分子。该超分子作为纳米载体，可将DOX特异性递送至富含FA受体的恶性细胞，从而增强药物活性。Miao等[16]同样利用HA的靶向性，将CHA覆盖在GO表面，合成了新型靶向载体CHAGO。实验发现，CHA-GO不仅提高了GO在生理条件下的稳定性，也提高了其体内安全性，且DOX载量是GO的4倍；而且，过度表达CD44受体的口腔表皮样癌KB细胞对CHA-GO/DOX的摄取量远高于对GO/ DOX，说明CHA-GO/DOX的靶向性更好，可显著增强抗肿瘤效果。

由于GO具有大π共轭结构、丰富的缺陷位点以及大量的可修饰基团，多种无机纳米粒子，如金、银、钯、铂、镍、铜等金属纳米粒以及二氧化钛、氧化锌、二氧化锰、四氧化三钴和四氧化三铁等金属氧化物纳米粒，都可用于修饰GO，实现GO的多功能化。Yang等[35]采用简单有效的化学沉淀法合成了GO和四氧化三铁的超顺磁性纳米粒子混合物（GO-Fe3O4），其中Fe3O4的负载率（质量比）可高达18.6 %。实验显示，作为药物载体，GO-Fe3O4在水中分散性良好，对DOX的负载率高达1 080 mg·g-1，且载药后其可在外磁场下有规律地运动，也能在酸性条件下聚集，而碱性条件下重新稳定分散。GO-Fe3O4的这些特性赋予了其作为载体控制药物递送和释放的能力。Chen等[36]通过原位还原法将银纳米粒负载于GO上，再载药，制得的递药系统可通过表面增强拉曼散射（SERS）-荧光结合光谱检测，观察到其中药物的胞内释放行为，故能用于癌细胞内的药物输送和成像。

石墨烯及其衍生物GO的非共价修饰虽然应用广泛，但因修饰物的连接强度相比于共价修饰较弱，且容易受到外界环境的干扰，因此整个体系稳定性偏差。

4 石墨烯及其衍生物在肿瘤治疗中的应用

4.1 用于递送化学药物

石墨烯及其衍生物可通过π-π共轭、氢键和疏水效应等非共价相互作用来负载芳香型药物分子，常用的抗肿瘤模型药物为DOX和CPT及其衍生物。

DOX是目前临床常用的蒽环类抗恶性肿瘤药，具有抗瘤谱广、疗效好的优势，广泛用于治疗血液恶性肿瘤以及乳腺癌等实体瘤[37]。Yang等[38]研究发现，DOX的蒽环和GO的苯环可以通过强烈的π-π共轭连接，且DOX上的羟基和氨基还可与GO的羟基和羧基形成氢键，因此负载效果较好。GO通过非共价键负载DOX的方法简单，仅需将二者放入水中混合搅拌过夜并辅助超声，GO对DOX的负载量即可达2 350 mg·g-1，远高于一般纳米材料载体。实验还发现，GO-DOX在不同pH下的释放动力学行为差异很大，其在酸性环境下更易释放。Wang等[39]也通过实验证实，GO负载和释放DOX，具有较强的pH依赖性，其在偏酸性环境下，对DOX的负载量相较在中性环境中差，但对DOX的释放速度明显快于在中性条件下。由于肿瘤细胞微环境呈偏酸性（pH＜6），故用GO作为药物载体，可促进其中DOX在肿瘤细胞中释放。可见，释药时的pH依赖性使得GO非常适合用作DOX载体，用于肿瘤治疗，也为石墨烯载药的控释设计提供了重要依据。Wu等[40]研究了反应时间、pH、载体/药物配比以及温度对GO负载DOX性能的影响，结果发现，GO负载DOX时的吸附反应在前10 min非常迅速，吸附量迅即可达912.17 mg·g-1，这是由于GO的单层结构可驱使DOX迅速吸附到GO的活性部位，但随着反应时间增长，这种驱动力减小，GO的活性部位也逐渐减少，因此吸附反应变慢，直至达到动态平衡；而且，随着环境pH的升高，GO的吸附能力增强，这是因为在较高pH条件下，GO带有更多的负电荷，更容易和带有正电荷的DOX产生库仑引力；此外，在较高pH条件下，DOX的亲水性和溶解性降低，导致其不易从GO中释放；当GO的质量浓度在0.25～0.5 g·L-1范围时，其低质量浓度下的载药量会激增，但随着质量浓度增大，其载药量不再明显增加，这可能是因为GO在高浓度下会部分聚集，导致其用于吸附的有效表面积减小；而反应温度升高则可致GO对DOX的吸附量增大，这可能是因为高温下GO的惰性部位变活泼，说明吸附过程是吸热自发过程；最终，采用最优的反应时间、温度、pH和载体/药物配比，致使GO对DOX的最大吸附量达1 428.57 mg·g-1，且吸附等温线数据符合Langmuir模型。另外，Chen等[36]提出又一种GO负载DOX的方法，即使用还原敏感型连接臂连接DOX和GO，并负载于银纳米粒。由此获得的给药体系利用二硫键（—SS—）直接将DOX连接到GO的表面，具有还原敏感性，而由于肿瘤细胞中谷胱甘肽（GSH）浓度远高于正常细胞，在这种强还原性环境中二硫键易断裂，从而促进该给药体系能在肿瘤细胞中释放药物；此外，该给药体系不仅采用共价键负载药物，且药物释放对GSH敏感，这样可使给药体系在肿瘤部位减少GO多功能化后所形成的表面扩散屏障，促进药物释放。

CPT是对消化道肿瘤、白血病、膀胱癌等有显著疗效的抗肿瘤药物，但水溶性差、血浆蛋白结合率高，极大地限制了其临床应用[41]。而将CPT吸附在GO上，则可以解决这些问题。Kavitha等[42]合成了聚N-乙烯基己内酰胺（PVCL）共价修饰的GO（GO-PVCL），实验发现，其可通过π-π共轭和疏水作用而高效负载CPT，且在生理溶液中稳定性较好，又无毒，安全性良好，但载药后对细胞的毒性明显增强；用作药物载体时，其另一优势是，释药行为对温度和pH敏感，可实现肿瘤靶向给药。Bao等[21]通过酰胺键连接GO和CS，得到的载体GO-CS拥有良好的水溶性和生物相容性，并可高效负载CPT，由此制得的递药系统GO-CSCPT和游离CPT相比，对HepG2和HeLa细胞株的细胞毒性明显增强。随着抗肿瘤药物传递系统研究的深入，Zhang课题组创新性地将DOX和CPT通过π-π共轭及疏水效应同时吸附到GO上，实验证明，由此制得的多药传递系统相较于单药传递系统，对MCF-7细胞的毒性更加显著[27]。

4.2 用于递送基因药物

基因疗法（gene therapy）是用于基因相关疾病的最有前景的治疗手段，但其发展一直受阻，这是因为裸露的基因治疗药物容易被核酶降解，细胞靶向能力差，且自身负电荷会与带有负电荷的细胞膜互相排斥，导致其细胞内吞和内涵体逃逸能力差，这些都会降低基因治疗药物的疗效[43-44]。因此，保证基因疗法疗效的重要手段是寻找能高效和安全负载基因治疗药物的载体。GO可经PEI、壳聚糖等连接修饰，再通过π-π共轭、静电相互作用以及分子间相互作用来负载基因治疗药物，不仅能降低药物细胞毒性，而且当修饰后的GO载体中氮原子与所载基因药物分子中磷酸基团的摩尔比（N/P）达到一定的合适值时，该递药系统具有很高的转染效率，说明修饰后的GO是一个理想的基因载体。

Yang等[45]使用PEG和FA修饰的GO递送人端粒酶逆转录酶（hTERT）基因siRNA，结果发现，PEG修饰的GO可有效提高GO在生理溶液中的稳定性，而同时修饰在GO表面的1-芘甲胺盐酸盐则能协助GO共同吸附siRNA；由此得到的基因递送系统可将siRNA靶向递送至HeLa细胞，有效降低细胞中目标mRNA和蛋白的表达水平。Bao等[21]利用CS修饰GO，得到的GO-CS不仅可负载CPT，也可负载质粒DNA（pDNA），并压缩成稳定的纳米复合物GO-CS/pDNA，当该纳米粒中N/P达到某一特定值时，其对HeLa细胞有良好的转染效率。Kim等[46]用低相对分子质量的支链聚乙烯亚胺（BPEI）作为连接臂连接亲水的PEG和rGO，再负载pDNA，构建了一种稳定的光热控释基因纳米复合物系统PEG-BPEI-rGO。体外基因转染实验结果表明，PEG-BPEI-rGO对PC-3和NIH/3T3细胞有着较高的基因转染效率以及较低的细胞毒性，且经NIR光照射可提高其转染效率。Zhang等[22]在负载基因的基础上对GO进行了基因和化学药物的共载研究，首先将PEI通过酰胺键连接到GO表面，得到稳定的PEI-GO载体，然后再同时负载siRNA和DOX，并作用于HeLa细胞。结果表明，该低毒性的PEI-GO载药系统在最佳N/P值时所载siRNA具有很高的转染效率，可有效降低细胞中Bcl-2蛋白的表达，进一步增强了DOX对细胞的杀伤作用，疗效显著提高，实现了基因疗法与化疗药物的协同治疗。

4.3 用于光线疗法

化疗和放疗用于肿瘤治疗的不足之处在于，也会对正常细胞和器官产生毒副作用。而光线疗法则可通过特定的光辐射来摧毁肿瘤细胞，能克服化疗和放疗的这些缺陷。光线疗法包括光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）[47]。

GO用于对肿瘤的PTT，是利用了其对NIR的光吸收性，其在肿瘤细胞内经NIR激光照射而发生光热转化，产生的超高热可导致肿瘤细胞热损伤并凋亡[48]。Yang等[49-50]在小鼠肿瘤模型实验中发现，PEG修饰后的纳米石墨烯（NGS）在体内肿瘤中经低功耗的NIR激光（2 W·cm-2）照射，有超高的光吸收，并产生明显的光热治疗效果；超小型GO（R-GO）经PEG的表面非共价修饰后，可显著增强其对体内肿瘤的光热治疗效果，说明PEG修饰后的R-GO对NIR的光吸收增大，且对肿瘤的被动靶向性提高，展现出对肿瘤的优异的体内光热治疗功效。Markovic等[51]对比了体外NIR光激发的GO和碳纳米管（CNT）的光热光谱分析及光热抗癌活性，结果发现，在相同的NIR光（808 nm, 2 W·cm-2）照射下，聚维酮（PVP）修饰的GO相较于CNTs，尽管对NIR的光吸收能力较低，但能产生更多的热量。Wang等[52]制备了一种CS修饰的rGO凝胶CGN，实验显示，CGN不仅对DOX具有超高的负载能力，并在NIR光诱导下能产生37～42 ℃的热效应；而且，在NIR光（808 nm）照射下，DOX可从DOX-CGN中快速释放。细胞实验则显示，在NIR光照射下，DOXCGN的细胞毒性明显强于无照射组，这是因为NIR光照射会导致温度升高，促进DOX-CGN中药物释放。

和PTT不同，PDT是依靠光敏分子在合适的光线照射下产生的活性氧簇（ROS）来杀死肿瘤细胞。Dong等[53]首次将GO运用于PDT研究，结果发现，将常用的光敏分子酞氰化锌（ZnPc）通过π-π共轭和疏水作用力连接到GO-PEG表面，得到的GO-PEG-ZnPc在氙光照射下，对肿瘤细胞有明显的毒性。Miao等[54]则报道，将一种PEG修饰后的GO（pGO）作为光敏剂二氢卟吩E6（Ce6）和DOX的协同载体，实验发现，pGO的安全性高于GO，且同时负载Ce6和DOX所制得的Ce6/Dox/pGO可显著增强PDT对肿瘤的疗效，发挥化疗与PDT的协同抗肿瘤作用。

5 结语与展望

近年来，由于石墨烯及其衍生物具有独特的结构以及化学特性，使其在生物医学领域有很大的应用空间，特别是作为载体在肿瘤治疗领域的应用前景广阔，其相关研究也日趋活跃。近年来的研究表明，石墨烯及其衍生物GO具有超高的载药能力，负载药物的方式简单，而且可通过共价和非共价修饰赋予其多功能化和特定的生物活性，提高其生物相容性和生理稳定性，并降低毒性。因此，石墨烯及其衍生物在递药系统中的应用潜力巨大。然而，目前石墨烯及其衍生物在递药系统中的应用研究仍存在一定局限性和亟待探索的问题，如石墨烯及其衍生物可负载的药物目前所报道的大多为小分子药物，而对用于大分子或蛋白类药物的靶向递送研究却甚少；而且，石墨烯及其衍生物作为药物载体最重要的问题仍是安全性，虽然研究表明，石墨烯是毒性较低的物质，但高浓度下会导致细胞生存能力略有损失。不过，功能化修饰的石墨烯及其衍生物能显著提高其生物相容性和靶向性，故而是日后递药系统研究领域的热点。且今后对石墨烯及其衍生物用作药物载体的研究应拓展到蛋白等生物大分子药物的靶向递送。

[1]Geim A K, Novoselov K S.The rise of graphene[J].Nat Mater, 2007, 6(3): 183-191.

[2]Lee C, Wei X, Kysar J W, et al.Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene [J].Science, 2008, 321(5887): 385-388.

[3]Xu C, Xu B, Gu Y, et al.Graphene-based electrodes for electrochemical energy storage[J].Energy Environ Sci, 2013, 6(5): 1388-1414.

[4]Huang T Y, Huang J H, Wei H Y, et al.rGO/SWCNT composites as novel electrode materials for electrochemical biosensing[J].Biosens Bioelectron, 2013, 43: 173-179.

[5]Liu J, Cui L, Losic D.Graphene and graphene oxide as new nanocarriers for drug delivery applications[J].Acta Biomater, 2013, 9(12): 9243-9257.

[6]Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al.Electric feld effect in atomically thin carbon flms[J].Science, 2004, 306(5696): 666-669.

[7]Gao Y, Zou X, Zhao J X, et al.Graphene oxide-based magnetic fuorescent hybrids for drug delivery and cellular imaging[J].Colloids Surf B Biointerfaces, 2013, 112: 128-133.

[8]Xu C, Yang D, Mei L, et al.Targeting chemophotothermal therapy of hepatoma by gold nanorods/graphene oxide core/shell nanocomposites[J].ACS Appl Mater Interfaces, 2013, 5(24): 12911-12920.

[9]Li M, Liu Q, Jia Z, et al.Electrophoretic deposition and electrochemical behavior of novel graphene oxide-hyaluronic acid-hydroxyapatite nanocomposite coatings[J].Appl Surf Sci, 2013, 284: 804-810.

[10]Zhou T, Zhou X, Xing D.Controlled release of doxorubicin from graphene oxide based charge-reversal nanocarrier[J].Biomaterials, 2014, 35(13): 4185-4194.

[11]Liu Z, Robinson J T, Sun X, et al.PEGylated nanographene oxide for delivery of water-insoluble cancer drugs[J].J Am Chem Soc, 2008, 130(33): 10876-10877.

[12]Dreyer D R, Park S, Bielawski C W, et al.The chemistry of graphene oxide[J].Chem Soc Rev, 2010, 39(1): 228-240.

[13]Chang Y, Yang S T, Liu J H, et al.In vitro toxicity evaluation of graphene oxide on A549 cells[J].Toxicol Lett, 2011, 200(3): 201-210.

[14]姜英虹.氧化石墨烯对SD大鼠的亚急性毒理学实验[D].重庆:重庆医科大学, 2013.

[15]An J, Gou Y, Yang C, et al.Synthesis of a biocompatible gelatin functionalized graphene nanosheets and its application for drug delivery[J].Mat Sci Eng C, 2013, 33(5): 2827-2837.

[16]Miao W, Shim G, Kang C M, et al.Cholesteryl hyaluronic acid-coated, reduced graphene oxide nanosheets for anti-cancer drug delivery[J].Biomaterials, 2013, 34(37): 9638-9647.

[17]Song E, Han W, Li C, et al.Hyaluronic acid-decorated graphene oxide nanohybrids as nanocarriers for targeted and pH-responsive anticancer drug delivery[J].ACS Appl Mater Interfaces, 2014, 6(15): 11882-11890.

[18]Sun X, Liu Z, Welsher K, et al.Nano-graphene oxide for cellular imaging and drug delivery[J].Nano Res, 2008, 1(3): 203-212.

[19]Shan C, Yang H, Han D, et al.Water-soluble graphene covalently functionalized by biocompatible poly-L-lysine[J].Langmuir, 2009, 25(20): 12030-12033.

[20]Wang G, Wang B, Park J, et al.Synthesis of enhanced hydrophilic and hydrophobic graphene oxide nanosheets by a solvothermal method[J].Carbon, 2009, 47(1): 68-72.

[21]Bao H, Pan Y, Ping Y, et al.Chitosan-functionalized graphene oxide as a nanocarrier for drug and gene delivery[J].Small, 2011, 7(11): 1569-1578.

[22]Zhang L, Lu Z, Zhao Q, et al.Enhanced chemotherapy efficacy by sequential delivery of siRNA and anticancer drugs using PEI-grafted graphene oxide[J].Small, 2011, 7(4): 460-464.

[23]Sahoo N G, Bao H, Pan Y, et al.Functionalized carbon nanomaterials as nanocarriers for loading and delivery of a poorly water-soluble anticancer drug: a comparative study[J].Chem Commun, 2011, 47(18): 5235-5237.

[24]Pan Y, Bao H, Sahoo N G, et al.Water-soluble poly (N-isopropylacrylamide)-graphene sheets synthesized via click chemistry for drug delivery[J].Adv Func Mater, 2011, 21(14): 2754-2763.

[25]Kakran M, Sahoo N G, Bao H, et al.Functionalized graphene oxide as nanocarrier for loading and delivery of ellagic acid[J].Curr Med Chem, 2011, 18(29): 4503-4512.

[26]Wen H, Dong C, Dong H, et al.Engineered redox-responsive PEG detachment mechanism in PEGylated nano-graphene oxide for intracellular drug delivery[J].Small, 2012, 8(5): 760-769.

[27]Zhang L, Xia J, Zhao Q, et al.Functional graphene oxide as a nanocarrier for controlled loading and targeted delivery of mixed anticancer drugs[J].Small, 2010, 6(4): 537-544.

[28]Park S, Bhang S H, La W G, et al.Dual roles of hyaluronic acids in multilayer films capturing nanocarriers for drug-eluting coatings[J].Biomaterials, 2012, 33(21): 5468-5477.

[29]Qiu L, Li Z, Qiao M, et al.Self-assembled pH-responsive hyaluronic acid-g-poly (l-histidine) copolymer micelles for targeted intracellular delivery of doxorubicin[J].Acta biomater, 2014, 10(5): 2024-2035.

[30]Wu H, Shi H, Wang Y, et al.Hyaluronic acid conjugated graphene oxide for targeted drug delivery[J].Carbon, 2014, 69: 379-389.

[31]Robinson J T, Tabakman S M, Liang Y, et al.Ultrasmall reduced graphene oxide with high near-infrared absorbance for photothermal therapy[J].J Am Chem Soc, 2011, 133(17): 6825-6831.

[32]Feng L, Zhang S, Liu Z.Graphene based gene transfection[J].Nanoscale, 2011, 3(3): 1252-1257.

[33]Depan D, Shah J, Misra R D K.Controlled release of drug from folatedecorated and graphene mediated drug delivery system: synthesis, loading effciency, and drug release response[J].Mater Sci Eng C, 2011, 31(7): 1305-1312.

[34]Yang Y, Zhang Y M, Chen Y, et al.Construction of a graphene oxide based noncovalent multiple nanosupramolecular assembly as a scaffold for drug delivery[J].Chemistry, 2012, 18(14): 4208-4215.

[35]Yang X, Zhang X, Ma Y, et al.Superparamagnetic graphene oxide-Fe3O4nanoparticles hybrid for controlled targeted drug carriers[J].J Mater Chem, 2009, 19(18): 2710-2714.

[36]Chen H, Wang Z, Zong S, et al.SERS-fluorescence monitored drug release of a redox-responsive nanocarrier based on graphene oxide in tumor cells[J].ACS Appl Mater Interfaces, 2014, 6(20):17526-17533.

[37]Guerreiro P S, Fernandes A S, Costa J G, et al.Differential effects of methoxyamine on doxorubicin cytotoxicity and genotoxicity in MDAMB-231 human breast cancer cells[J].Mutat Res, 2013, 757(2): 140-147.

[38]Yang X, Zhang X, Liu Z, et al.High-effciency loading and controlled release of doxorubicin hydrochloride on graphene oxide [J].J Phys Chem C, 2008, 112(45): 17554-17558.

[39]Wang Z, Zhou C, Xia J, et al.Fabrication and characterization of a triple functionalization of graphene oxide with Fe3O4, folic acid and doxorubicin as dual-targeted drug nanocarrier[J].Colloids Surf B Biointerfaces, 2013, 106: 60-65.

[40]Wu S, Zhao X, Li Y, et al.Adsorption properties of doxorubicin hydrochloride onto graphene oxide: equilibrium, kinetic and thermodynamic studies[J].Materials, 2013, 8(11): 2026-2042.

[41]Kim S H, Kaplan J A, Sun Y, et al.The Self-assembly of anticancer camptothecin-dipeptide nanotubes: A minimalistic and high drug loading approach to increased effcacy[J].Chemistry, 2015, 21(1): 101-105.

[42]Kavitha T, Kang I K, Park S Y.Poly (N-vinyl caprolactam) grown on nanographene oxide as an effective nanocargo for drug delivery[J].Colloid Surface B Biointerfaces, 2014, 115: 37-45.

[43]Suerth J D, Labenski V, Schambach A.Alpharetroviral vectors: from a cancer-causing agent to a useful tool for human gene therapy[J].Viruses, 2014, 6(12): 4811-4838.

[44]Mao C Q, Du J Z, Sun T M, et al.A biodegradable amphiphilic and cationic triblock copolymer for the delivery of siRNA targeting the acid ceramidase gene for cancer therapy[J].Biomaterials, 2011, 32(11):3124-3133.

[45]Yang X, Niu G, Cao X, et al.The preparation of functionalized graphene oxide for targeted intracellular delivery of siRNA[J].J Mater Chem, 2012, 22(14): 6649-6654.

[46]Kim H, Kim W J.Photothermally controlled gene delivery by reduced graphene oxide-polyethylenimine nanocomposite[J].Small, 2014, 10(1): 117-126.

[47]Shanmugam V, Selvakumar S, Yeh C S.Near-infrared light-responsive nanomaterials in cancer therapeutics [J].Chem Soc Rev, 2014, 43(17): 6254-6287.

[48]Zhou L, Zhou L, Wei S, et al.Combination of chemotherapy and photodynamic therapy using graphene oxide as drug delivery system[J].J Photochem Photobiol B, 2014, 135: 7-16.

[49]Yang K, Zhang S, Zhang G, et al.Graphene in mice: ultrahigh in vivo tumor uptake and efficient photothermal therapy[J].Nano Lett, 2010, 10(9): 3318-3323.

[50]Yang K, Wan J M, Zhang S, et al.The infuence of surface chemistry and size of nanoscale graphene oxide on photothermal therapy of cancer using ultra-low laser power[J].Biomaterials, 2012, 33(7): 2206-2214.

[51]Markovic Z M, Harhaji-Trajkovic L M, Todorovic-Markovic B M, et al.In vitro comparison of the photothermal anticancer activity of graphene nanoparticles and carbon nanotubes[J].Biomaterials, 2011, 32(4): 1121-1129.

[52]Wang C, Mallela J, Garapati U S, et al.A chitosan-modifed graphene nanogel for noninvasive controlled drug release[J].Nanomedicine, 2013, 9(7): 903-911.

[53]Dong H Q, Zhao Z L, Wen H Y, et al.Poly (ethylene glycol) conjugated nano-graphene oxide for photodynamic therapy[J].Sci China Chem, 2010, 53(11): 2265-2271.

[54]Miao W, Shim G, Lee S, et al.Safety and tumor tissue accumulation of pegylated graphene oxide nanosheets for co-delivery of anticancer drug and photosensitizer[J].Biomaterials, 2013, 34(13): 3402-3410.

Research Advances in the Application of Graphene and Its Derivative, Graphene Oxide, as New Drug Carrier Materials in the Field of Tumor Treatment

ZHAO Yuanyuan, YIN Tingjie, HUO Meirong, ZHOU Jianping ( State Key Laboratory of Natural Medicines, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China)

The application of graphene and its derivative, graphene oxide(GO), in bio-medical feld, especially in the feld of tumor treatment, has been developed rapidly in recent years, owing to their good solubility in water, large specifc surface area, high drug-loading capacity and easy modifcation.The properties, biological safety and surface modifcation of graphene and GO as well as their application in tumor-targeted drug delivery system as new drug carrier materials were reviewed so as to provide new method and new thinking for the research on their application in bio-medical feld.

graphene; graphene oxide; surface modifcation; drug carrier; tumor-targeted drug delivery; safety

O613.71; R73-36

A

1001-5094（2015）01-0032-08

接受日期：2014-11-09

项目资助：国家自然科学基金（No.81102397）; 江苏省自然科学基金（No.BK2012761）; 江苏省青蓝工程-中青年学术带头人培养项目（No.02432009）; 中央高校基本科研业务费专项资金（No.JKPZ2013004）; 天然药物活性组分与药效国家重点实验室项目（No.JKGQ201107）

*通讯作者：霍美蓉，副教授;

研究方向：药物新型给药系统;

Tel：025-83271102； E-mail：huomeirongcpu@163.com

**通讯作者：周建平，教授;

研究方向： 药物新型给药系统;

Tel：025-83271102； E-mail：zhoujpcpu@126.com