石墨烯衍生物在肿瘤诊治方面的应用

周 亮，舒 婷

(湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100)



石墨烯衍生物在肿瘤诊治方面的应用

周 亮，舒 婷*

(湖北科技学院药学院，湖北 咸宁 437100)

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维新材料，它的氧化衍生物氧化石墨烯具有大的比表面积，优异的光、热、电性能，并含有大量的含氧活性基团，从而可通过多种方式进行功能化修饰改变其性能。生物化学功能化后的石墨烯衍生物在生物医学领域表现出很多应用潜能。本文概述了石墨烯衍生物材料在肿瘤诊断、抗癌药物装载、肿瘤治疗方面的应用，介绍了石墨烯及其衍生物在人体内的生物相容性，最后对其应用前景进行了展望。

石墨烯衍生物；氧化石墨烯；肿瘤诊断；肿瘤治疗；药物装载

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的二维新材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜[1]。石墨烯有着优异的电学、力学、热学性质，在材料、传感器和能源方面都有广泛的应用[2]。

氧化石墨烯是石墨烯衍生物，含有大量的含氧活性基团，如羰基、羟基、羧基和环氧基等。这些基团的存在，使其既能够通过化学键进行共价键功能化修饰，又可以用π-π堆积、离子键和氢键等非共价键作用进行表面功能化修饰。如添加某些特定的功能基团，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团，具有良好的生物相容性和水溶液稳定性，可在生理溶液中稳定存在而在生物医学领域有很多应用。

目前，石墨烯及其衍生物主要应用于生物检测、生物成像、纳米载药系统和肿瘤治疗等方面。本文综述了近几年石墨烯衍生物在肿瘤诊断和治疗方面的应用，并展望了未来的研究前景。

1 基于石墨烯及其衍生物制备的纳米探针用于肿瘤诊断

1.1 石墨烯衍生物用于肿瘤检测 将具有电子、光学或者磁性性质的功能性纳米粒子和石墨烯衍生物固定在一些特异性分子上做成探针，可用于制作生物传感器，包括光学、磁性和电化学等多种生物传感器。如果这些特异性分子具有靶向性，能跟肿瘤标志物结合，该传感器就可用于肿瘤的早期诊断、定位和疗效检测。

Gao等[4]用氧化石墨烯-多壁碳纳米管水溶液与HAuCl4反应，制得AuNPs/GO-MWCNTs，再修饰到玻碳电极上，制出一种α-甲胎蛋白电化学免疫传感器，其具有良好的选择性、稳定性和重复性，检测限为0.003ng/mL，能精确测量血清中肝癌细胞的有用标志物—α-甲胎蛋白。这种制作简单、灵敏度高的传感器在肝癌的临床诊断中有潜在的应用价值。

Xia等[5]将抗-HER2抗体(Ab)、SKOV-3人卵巢癌细胞、抗-HER2抗体标记的ssDNA(Bio)和cDNA依次修饰到氧化石墨烯修饰的玻碳电极上，得到cDNA/Bio/SK/Ab/GO/GCE电化学免疫电极，当DNA的生物传感器指示剂柔红霉素插入cDNA和抗-HER2抗体标记的ssDNA时，氧化石墨烯加强放大了氧化还原信号，对卵巢癌细胞的检测敏感度很高，检测限达到每毫升5.2个细胞。

Kumar等[6]用还原的氧化石墨烯修饰导电纸制备传感器用作肿瘤的检测，在肿瘤标志物癌胚抗原的浓度为1～10ng/mL的检测范围内，显示了较高的25.8μA·mL/(ng·cm2)的灵敏度，该传感器成本低，柔性可抛，有望取代常规的高成本的电极用做快速检测。

1.2 石墨烯衍生物用于肿瘤成像 由于纳米石墨烯及其衍生物固有的物理性质特别是光学性质，它们还可以用于生物医学成像，为临床医师提供直接有效的肿瘤信息，应用于以生物细胞成像为基础的癌症诊断及定位指导癌症靶向治疗。

Sun等[7]用聚乙二醇修饰的氧化石墨烯装载抗癌药物Rituxan，能得到几乎没有背景的近红外活体细胞成像。

Ma等[8]合成的多功能超顺磁性氧化铁纳米复合氧化石墨烯(GO-IONP)，然后与生物相容的聚乙二醇(PEG)结合，得到的GO-IONP-PEG在荷瘤小鼠体内作为造影剂进行磁共振成像和活体肿瘤的X光成像，还使用了光声成像。相对于传统光学成像，光声成像可以显著的增加成像深度。

用64Cu标记光敏剂羟苯基苯妥因(HPPH)，再装载到纳米氧化石墨烯GO-PEG材料上，能进行荧光成像和正电子发射断层扫描[9]。

2 基于石墨烯衍生物的纳米载药系统用于肿瘤治疗

2.1 装载抗癌药物 功能化后的氧化石墨烯具有生物相容性，能作为纳米载体在体外和体内进行药物传递。不同表面修饰的氧化石墨烯可以与各种抗癌药物通过物理吸附或者共价连接在一起，文献报道过的抗癌药物有阿霉素(DOX)[10-12]、喜树碱[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]将氧化石墨烯与肝素用己二酸二酰肼连接(GO-ADH-Hep)并负载DOX，该体系中DOX的负载率高，释药速率比纯的DOX溶液明显要慢并具有pH敏感性，在体内的药物代谢动力学研究表明GO-ADH-Hep/DOX纳米复合物能显著延长药物在体内的滞留时间。此外，GO-ADH-Hep能降低源自DOX溶液的心脏毒性和未修饰的氧化石墨烯的肺毒性。

Hou等[15]还成功地合成了透明质酸(HA)-GO装载的米托蒽醌，该药物的释放受酸碱度影响，在偏酸性的肿瘤细胞环境中，可增强药物在肿瘤细胞中的靶向释药能力，延长停留时间，是一种很有前景的药物载体。

Zhu等[16]用六臂聚乙二醇修饰的氧化石墨烯装载不溶于水的鬼臼毒素，增强了药物水溶性，同时降低了鬼臼毒素的细胞毒性。

2.2 基因转染 基因治疗是一种治疗与基因有关的一些疾病包括肿瘤的新治疗手段。由于GO表面具有很多羧基基团，可以与聚醚酰亚胺、壳聚糖或者1-芘甲亚胺通过酰胺键、静电作用或者疏水作用连接在一起，实现有效的DNA或siRNA输送。

ssDNA和RNA可以直接非共价的吸附在氧化石墨烯的表面，并且GO可以高效携带ssDNA和RNA进入细胞内，获得较高的转染效率[21]。将氧化石墨烯用壳聚糖修饰，装载p-DNA和难溶性抗肿瘤药物喜树碱，该给药系统对喜树碱具有明显的缓释作用，并且能将p-DNA高效转运到肿瘤细胞内[22]。

含有季铵基团的壳寡糖与叶酸结合，再功能化修饰氧化石墨烯，装载多药耐药基因MDR1 siRNA和阿霉素，比仅负载阿霉素对人乳腺癌细胞MCF-7的杀伤更大。体外实验没有明显毒性，并且氧化石墨烯不影响实验过程中的细胞成活率[23]。

2.3 装载光热试剂、光敏剂、放射性物质 除了装载传统的抗癌化学药物，石墨烯衍生物还可以装载放射性物质[9]、光敏剂[24]、光热试剂[25-26]等进行光动力、光热治疗。

以甲氧基聚乙二醇修饰纳米氧化石墨烯后，通过π-π堆叠和疏水相互作用装载光敏剂酞菁锌(ZnPc)，载药效率为14wt%。在氙光照射下，疏水性酞菁锌对人乳腺癌细胞MCF-7有明显的细胞毒性，可以用于光动力疗法治疗癌症。体外实验没有明显的毒性[24]。

Sheng等[25]制备了一种基于蛋白质的还原氧化石墨烯纳米复合材料，对荷瘤小鼠静脉注射该复合材料，在肿瘤区域很快出现了显著的光声信号增强，表明它有被动靶向和光声成像效果。近红外激光照射后，由于纳米石墨烯的光热效应，体外癌细胞大量消失，表明该材料还适合用于肿瘤的光热疗法。

Li等[26]将聚乙二醇化的氧化石墨烯还原同时与聚乙烯亚胺共浴得到双功能化还原的石墨烯复合物(nr GO-PEG/PEI)作为药物载体和近红外光吸收剂，该复合物具有更低的毒性和更好的分散性，尤其在近红外光808nm处的光吸收比未还原的聚乙二醇氧化石墨烯(nGO-PEG)增强了6520倍，DOX载药量也增强了625倍。在近红外光照射下，药物在酸性环境下能有效释放并具有显著的抗肿瘤效果。

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。氧化石墨烯具有剂量依赖性的细胞和动物的毒性，如诱导细胞凋亡和肺肉芽肿形成，不能通过肾脏清除[27]。它显示出的细胞毒性受石墨烯纳米材料的大小、形状、溶解度和浓度的影响。良好的溶解性、分散性可以降低毒性。在已有的文献中，很多氧化石墨烯纳米材料都没有显示出明显的细胞毒性[28]。当前没有公认的或有足够分量的体内研究概述其毒性，关于氧化石墨烯衍生物的毒性研究还没有权威性的结论。

4 结 语

介绍了石墨烯衍生物纳米材料在肿瘤检测、肿瘤成像、装载抗肿瘤药物和肿瘤治疗几个方面的应用。由于石墨烯衍生物纳米材料有优良的物理和化学性能，并且方便修饰和改造，其在肿瘤诊治领域将有很好的应用前景。未来，一方面，我们可以在氧化石墨烯上面结合多种功能的分子，比如同时装载有诊断效果和载药治疗效果的物质，将诊断和治疗同时进行，做到诊疗一体化。例如装载光敏剂到达肿瘤细胞的部位，既可以进行生物成像定位肿瘤细胞，同时还可以多模态影像引导下肿瘤的光动力治疗，减少用药次数，降低患者的痛苦。再比如同时结合靶向物质和治疗物质，实现靶向治疗乃至多靶向治疗。此外，还可以考虑多种药物、多种方法协同治疗。另一方面，在石墨烯衍生物的生物相容性和细胞毒性上可以做进一步研究，以期望得到公认的低毒性、可代谢或可从体内排除的修饰方法，保证石墨烯衍生物治疗的安全性、扩大疾病治疗的范围。

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