碳纳米材料用于抗肿瘤药物递送的研究进展

张琦润(墨尔本大学，澳大利亚 帕克维尔 3010)

0 引言

临床上出现恶性肿瘤疾病的几率越来越高，这对身体健康造成极大威胁。而就目前来说，恶性肿瘤治疗的有效方法主要是手术、放疗和化疗三种方法，其中化疗[1]应用普遍，是使用对症的化疗药物进行疾病治疗。但一般患者都需要长期用药，而且很多药物存在突出的不良反应问题，疗效并不乐观，所以如何提升化疗药物的治疗有效性十分值得临床研究[2]。使用纳米载体技术提高抗肿瘤药物的递送效果，可以提升化疗疗效水平[3]。碳纳米材料具有质量轻、理化性质稳定、生物相容性好、细胞穿透力强、易于修饰等优点，在医药领域尤其是用于抗肿瘤药物递送载体方面的研究备受关注，同时此方面的研究也取得了一定成果。本文就针对碳纳米材料用于抗肿瘤药物递送的研究进展进行简单总结论述。

1 碳纳米材料简介

碳纳米材料，指的是分散相尺度至少存在一维低于100 nm的材料。而分散相可以由碳原子或异种原子，甚至纳米孔组成。

近年来，碳纳米技术逐渐成为一个热门研究领域。2000年美国与德国科学家制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子结构，依照相关理论推算，包括20个碳原子仅仅是由正五边形所构成，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种结构，基于原子间结合力度和角度等方面的考虑，认为该分子十分不稳定，很难存在，但美国和德国科学家制出C60笼状分子，使得材料学领域的一个重要研究课题得到了有效解决。碳纳米材料中的纳米碳纤维和纳米碳管等存在相对良好的化学与物理特性，在众多领域中都具有广泛的应用。

2 碳纳米药物载体的优点

从人体生理学与组织学角度进行分析，恶性肿瘤细胞与正常细胞存在显著差异。恶性肿瘤细胞属于一种变异的细胞，可以无限增殖，破坏正常细胞结构[4]；还可以转化成其他细胞，而且容易转移，使得病变部位扩散。肿瘤部位的毛细血管管壁上一般存在着很多孔径在数百纳米的孔洞，影响着结构的完整性。同时，因为恶性肿瘤细胞可能会局部侵入周围的其他正常组织，或经过淋巴系统转移到其他部位，所以淋巴系统一般都被破坏，这导致很多大分子物质不能正常通过淋巴系统返回到血液循环系统中，从而在肿瘤组织内部出现大量的滞留和聚集，进而诱发病变，甚至出现扩散趋势。碳纳米材料正是借助这个原理实现在肿瘤部位的大量积聚，从而成为抗肿瘤药物的递送系统。和过去使用的药物载体对比，碳纳米材料具备多重优势，比如：化学性能稳定、原材料成本低、比表面积大、活性较高、药物吸附性较强等[5]，碳纳米材料也可以进行功能化的修饰，支持实现肿瘤部位的靶向给药，增加药物治疗的靶向性，强化疗效。同时这种靶向给药方式可以减少用药剂量，继而减少不良反应的发生，保证用药的安全性[6]。

3 碳纳米药物载体的分类与开发

3.1 氧化石墨烯(GO)

GO是一种二维蜂窝状网格结构，由单层碳原子以sp2杂化方式形成。选择石墨作为原料，进行氧化和剥离处理后可以获得单片层的GO。GO的水溶性和吸附性都比较好，但是在盐溶液以及机体生理环境中可能会出现聚集沉降问题，增加了毒性，也影响到作为药物载体的应用，所以需要对GO进行修饰。一般选择表面改性的方式进行功能化修饰，这样可以提高其在生理环境中的稳定性。具体修饰方法有共价、非共价两种，前者是一种原子掺杂方式，会破坏GO的不饱和结构，而后者是一种氢键和范德华力的形式，不会破坏GO的结构。在进行修饰之后，GO就可以用作药物载体。在已有研究中，有人提出使用IR820-LA(具备光热性能)以及乳糖酸偶联衍生物(具备主动靶向性)稳定GO，其中，IR820-LA结构中存在芳香基团，可以与GO的平面结合，使其形成载药体系，产生荧光成像和化学及光热治疗能力，而且这种能力具备主动靶向性。经过临床试验表明，这种方法形成的试剂拥有良好的化学及光热治疗效果，肿瘤靶向性也比较好[7]。部分人员选择绿色化学的异构化、偶联和缩合反应等原理，在天然丁香酚D1的基础上，合成一系列衍生物，形成药物载体体系，其可以与GO表面的含氧官能团偶联，产生的复合体能够诱导肿瘤细胞内的钙离子释放工作，使得相关细胞出现凋亡，进而产生抗肿瘤效果[8]。

3.2 碳富勒烯(CFs)

CFs是一种笼状熔合环结构，属于碳同素异形体，其结构对称，因此在非极性溶液中有较差的分散性，很容易自主聚集[9]。所以利用CFs用于抗肿瘤药物递送，也需要先进行功能化修饰，然后选择生物大分子进行偶联，形成的复合物就能具备较好的溶解度以及生物活性，可以发挥药物载体作用。从目前的实践工作来看，CFs可承载大部分的化疗药物，并可以增强药效。比如有研究人员选择使用CFs包封替莫唑胺、丙卡嗪、卡莫司汀和洛莫司汀等药物，发现其用于治疗多发性胶质母细胞瘤时有良好效果，因为这样处理之后可以使药物更好地跨越血脑屏障。也有研究人员选择CFs并利用磁性表面活性剂(CTAF)进行改性，制作成顺磁性碳富勒烯(CFs@CTAF)，然后选择透明质酸作为底物，形成的衍生物与CFs@CTAF组装，得到的最终产物可以用于承载模型药DOX，同时评估了其对于HepG2细胞的抑制活性，实验结果表明，在这个复合体承载药物之后，与直接用药相比，在两者的浓度都是7.5 µg/mL时，复合体承载药物组别的细胞存活率只有41.94%，而另一组的高达83.37%，这意味着如此处理之后有更好的抗肿瘤效果。

3.3 碳纳米管(CNTs)

CNTs是一种无缝、中空圆柱体结构，形成原理与GO相似。按照石墨烯片层数的不同，可以分为单壁(SWCNTs)、多壁(MWCNTs)两种形式。单壁的结构相对稳定，而多壁的结构不太稳定，存在缺陷。CNTs要想作为药物载体，需要先进行功能化修饰，也分为共价、非共价两种方式。经过修饰可以有效提高CNTs的载药量、分散性以及生物相容性等性能，不仅可以用于承载化疗药物，也适用于基因药物、抗原抗体等，作用领域变得更加广泛，并且处理后药物的抗肿瘤作用都有所提升。比如，有研究人员选择卵清蛋白(OVA)作为模型抗原，吸附在经过甘露糖修饰的Man-MWCNTs表面，形成的复合物使用到机体中，可以提高树突状细胞的成熟率[10]，从而进一步发挥OVA诱导树突状细胞成熟的作用，刺激其释放细胞因子，发挥肿瘤免疫治疗作用的功能。有研究人员选择PSE偶联到PEG化SWCNTs表面，然后与TRAIL或Apo2L相互键合，得到的复合物可以依托特异性与肿瘤细胞表面受体相结合，诱导其凋亡，但不损害正常细胞，与单独使用TRAIL的效果进行对比，处理后复合物的诱导效率增强了20倍左右，抗肿瘤效果十分突出。也有研究显示，CNTs在近红外光区域(780～2 526 nm)的吸收峰较好，经过持续照射之后，可以将光能转化成热能，满足肿瘤组织消融温度的要求，而温度升高之后其本身结构会被改变，继而释放出承载的药物，实现光热疗和化疗相结合的功效。比如有研究人员选择808 nm的近红外光持续照射已经注射过PEG-SWCNTs的荷瘤小鼠肿瘤部位，产生的光热治疗效果较好，可以完全破坏其肿瘤细胞，并使患病小鼠的平均预期寿命增加一倍。

3.4 碳点(CDs)

CDs是一种碳六元环蜂窝状的片层结构，成分包括碳、氢、氧和氮等，是研究出的新型碳纳米材料。CDs的优势在于粒径小、透过性好、生物安全性高等，所以可以使用负载抗肿瘤药的生物大分子进行修饰，建立起相关的药物载体体系。CDs目前被广泛应用在药物递送、荧光成像等领域。有研究人员提出“接枝”法，选择M-HPG壳包覆CDs，所形成的复合物有着良好的水溶性、低生物毒性，而且荧光显象表现出强蓝色，其在药物递送和生物成像领域的应用前景十分广阔，潜力突出。也有研究人员使用碱性溶液降解PPA聚合物[11]，处理得到亲水性的CDs，然后使用负载华蟾蜍精的脂质体进行包裹，形成的复合物具有亲油性特点。临床研究表明，它可以显著提高CDs的光致发光强度，同时也具备体内生物成像功能[12]，用于药物载体具备持续释放药物、抗肿瘤效果好、不良反应少等优势。

3.5 纳米金刚石(NDs)

NDs属于纳米级金刚石微粉，同时拥有纳米材料和金刚石材料的优点，粒度极小，基本上是球形或椭球形。在生物医学领域，NDs的吸引力巨大，社会关注热度也非常高，应用前景十分广阔。对NDs进行功能化修饰后得到的复合物，可以用于药物载体，也可以用于荧光探针和生物成像[13]。有研究人员选择对NDs进行羧基化，实验发现获得的复合物可以抑制HepG2细胞的迁移活动，进行PCR检测发现可以影响到细胞迁移相关基因mRNA的表达水平，所以也能够调节细胞行为。还有研究人员使用含钕的蚕丝蛋白处理NDs，形成的复合物经检测发现可以提高NDs的扩散速率，也增加了光致发光强度，适合用于药物载体以及生物成像方面的研究。还有研究人员选择姜黄素与NDs结合，发现复合物的活性显著提高，经试验显示，复合物的存在不影响鸡胚发育，并可以提高HepG2细胞的凋亡率，具备较好的抗肿瘤应用价值[14]。

4 碳纳米材料应用展望

碳纳米材料凭借其自身的特点，在肿瘤药物递送及其治疗中具有十分广阔的发展空间。从光学发展上来看，CNTs具有比较强的吸收光强特点，这使其在肿瘤成像和药物追踪检测中发挥更加显著作用。从载药发展上来看，相较于GO，CNTs存在更大的管腔结构，加之封堵技术的有效应用，不但可以明显加大比表面积，获取更高的药物载量，同时可以保证药物的缓释和控释过程得以有效实现。

作为一种新型肿瘤治疗工具，碳纳米材料给患者肿瘤的诊断、治疗及其监控提供了一种新型且有效的方式，逐渐变为了近年来医学领域关注的热点，然而碳纳米材料在具体应用中也存在一定的不足，主要如下：

(1)安全性和生物相容性。有学者提出“物理损伤是纳米毒性的根源”，该学说认为，仅仅是生物相容且可降解的纳米材料方能作为药物相应的载体。尽管碳素材料可以使得载体相应的细胞毒性有所减小，然而没有经过修饰，或是修饰不够完善的碳纳米材料在生物相容性上依然相对较差，在进入人体后会产生比较显著的细胞毒性，并会造成一定的细胞损伤。当前，针对碳纳米材料的相关研究，均停留于分子水平、细胞水平，或是整体动物水平上，针对人体会产生的长期毒性和不良反应方面的研究依旧不是十分深入，存在着材料对人体和机体中所产生物质相容性、机体中药物动力学很难得到控制、使用剂量把握不准和给药途径不明等众多方面的问题，同时对此也很难寻找到明确的证据予以相应的支持。所以，今后依旧需要探寻更为良好的表面修饰方法，以降低材料的毒性，有效提升材料的生物降解性和相容性，使其作用得以更为有效且安全地发挥。此外，也需要制定相关的国际性监管标准和可靠的方法，用以评估碳纳米材料载药所具有的安全性。

(2)放大生产。在载药方面，碳纳米材料的相关研究报道多数都限制于实验室研究，在大规模生产需要使用的设备、质量控制和成本控制等众多方面的研究相对较少。在进行工艺放大时，碳纳米载药材料的加工工艺相对较难控制，同时具有较差的重现性，很难采用传统的简单方式进行生产和检验。

(3)生物屏障。在肿瘤细胞中，具有会对碳纳米载药粒子积累产生抑制作用的相应生物屏障，这样便会导致碳纳米载药粒子很难深入到肿瘤细胞内，或是容易被人体吞噬细胞摄取，而并非作用于肿瘤细胞。另外，人体中也存在很多会对碳纳米颗粒分布状况和消除造成影响的相应生理屏障，例如血-脑脊液屏障与肾系统等。经过修饰处理的碳纳米颗粒暴露于等离子体等一些生物流体中，各种不同的生物分子会对其表面形成覆盖，产生大分子冠冕，这样便掩盖了碳纳米颗粒所具有的靶向能力，导致碳纳米载体的肿瘤靶向作用受到一定程度的影响，药物实际效果也会有所减弱。

5 结语

从医学临床上分析，碳纳米材料的应用已成为抗肿瘤药物递送载体研究的重点领域。形成的碳纳米药物可以减少毒性，增强药效，经过表面修饰之后能够获得多种功能，同时载药之后粒径增加，大大提高了生物安全性，应用前景十分广阔。目前碳纳米材料类型众多，用于抗肿瘤药物递送载体方面各有各的优势，还需要进一步研究以选择最佳的材料或者开发性能更好的材料，推动抗肿瘤事业的发展，提高临床抗肿瘤治疗的有效性和安全性。