富勒烯衍生物——富勒醇在生物醫學領域的研究進展

李凌

“明星分子”富勒烯具有抗氧化活性和細胞保護作用、抗菌活性、抗病毒作用，能夠用于負載藥物和腫瘤治療，但富勒烯本身具有強烈的疏水性，在極性溶液中的溶解度很低，難以在生理介質中直接使用，且富勒烯在一些特定環境下可以引起細胞的凋亡，從而限制了其在生物醫學中的應用。

富勒醇是富勒烯的水溶性羥基化衍生物，其主體結構同富勒烯，因而繼承了“明星分子”富勒烯的幾乎所有優異性能。富勒醇的研究起步不久。1992年，Naim和Shevlin[1]首次報道了在真空條件下加熱混有過量氫氧化鉀（KOH）固體的C60/C70甲苯溶液生成富勒醇C60（OH）n沉淀物；國內，1996年孫大勇等[2]發表了類似的富勒醇制備方法，在氮氣保護下向C60甲苯溶液加入過量鉀片，生成的黑色沉淀經水解制得棕黑色水溶性富勒醇溶液。然而，早期制備的富勒醇結構很不穩定，在光照、加熱下容易脫去羥基，水溶性迅速下降，Naim等則認為多羥基的富勒醇升高溫度下充入氧分子（O2）會生成聚氧化的分解產物，而在室溫條件下，加入的O2還能提供低能量路徑使富勒醇恢復至富勒烯（見圖1）。

隨著研究的深入，富勒醇的穩定化結構很快被人們發現和確認。1998年，臺灣學者Bo—Cheng Wang等[3]首次發現C60（OH）6和C60（OH）12具有最低的能量結構，結構最為穩定。2002年浙江大學朱浙英等[4]用INDO系列方法研究C60（OH）88種異構體的結構和光譜，探討羥基不同加成位置對異構體穩定性的影響，表明8個羥基以1，2—加成方式加在C60的五元環與六元環相鄰棱上所得的異構體最穩定。

在明確富勒醇結構和穩定性的基礎上，人們進一步發現在富勒烯的碳原子上引入羥基，不僅改善了水溶性，同時極大地提高了其生物相容性，降低了細胞毒性，改變了富勒烯無法應用于生物醫學領域的弊端[5]，近20年的研究表明，富勒醇在腫瘤治療、神經保護、抗細胞氧化、藥物載體、免疫調節等多個方面都具有很高的應用價值[6]。

1 發展現狀

1.1 文獻數量分布和增長情況

自富勒醇被成功合成之后的近30年間，國內外對其的關注度不斷提高，最大的熱潮興起于2010年后，文獻數量幾乎達到之前總量的2倍（見圖2）。

從圖2中文獻數量分布情況不難看出以下3點：①總體數量不高，中英文專利申請量均未超過100，最高的外文期刊數量也未過千；②專利申請數量明顯低于非專利發表量；③中文期刊（又稱“中文非專利”）數量明顯落后于外文期刊（又稱“外文非專利”）。究其原因，無外乎以下3方面：①富勒醇為新興材料，人們對其結構、性能的認知剛剛經過起步階段，許多未知領域尚待探索，文獻數量的增長還未到達爆發點；②專利申請偏重應用，在其產業化尚不成熟的階段，專利申請也才剛剛起步，數量上更加落后于非專利顯而易見；③富勒醇屬于新物質的發現，研發起點較高，因而在國外影響因子較高的期刊上容易被發表，例如2004年日本學者Husebo[7]在頂級期刊JACSS上發表了富勒醇作為穩定化的自由基陰離子的論文。

2.2主要研發機構

由于外文期刊的數量遠超專利和中文期刊，因此本文主要以外文期刊研發機構的分布數據作為研究的基礎。通過對ISI更新至2018年12月31日前的數據（共797件）進行數據分析得到以下結果（見圖3）。

從圖3不難發現，目前對于富勒醇的研發機構相對分散，并沒有出現真正的行業壟斷者，文獻數量占比最高的“中國科學院”也僅為21%（該數字為中文全稱和其簡稱的百分比加和），排名前4的機構所發文獻的數量總和占比也僅為37%。這預示著對于富勒醇的研發依然存在大量的空白領域，還留有大量機會等待后來者的加入。

值得重視的是，在排名前4的研發機構中，來自中國大陸的機構占到了2席，分別是“中國科學院”（排名第1）和“中國科學院高能物理研究所”（排名第4），加和總量占到了全部文獻數量的26%，可見中國科學院系統在富勒醇的研發上已然處于世界領先水平，中國研發團隊在該領域的持續發力值得期待。

對比中外文專利和中國期刊在主要研發結構上的檢索分析結果（見表1），完全可以作為平行證據證實以上結論的可靠性。

2 在生物醫學領域的應用

在生物醫學領域，關于富勒醇的研究熱點主要集中在對于腫瘤的抑制和對癌癥的治療上，極具新穎性的應用還包括心梗的治療、抗輻射以及疫苗制備，各個應用領域的文獻分布情況如表2所示。

2.1 腫瘤抑制和癌癥治療

2.1.1負載抗癌藥物

印度學者Thotakura等[8]將富勒醇—天冬氨酸衍生物作為負載多硒紫杉醇（抗癌藥物）的載體，研究結果發現，相較于純的多硒紫杉醇，用富勒醇衍生物負載的藥物粒子的生物相容性提高了5.8倍，細胞毒性降低了4.3倍，負載藥物的納米結構與紅細胞相容并提供降低的蛋白質結合，由此能夠提供一種具有增強藥物功效和安全性的新型載體。

塞爾維亞學者Jovic等[9]研究了負載阿霉素（抗癌藥物）的富勒醇納米粒子對腫瘤抑制及細胞毒性上的影響，研究發現，該負載納米粒子中富勒醇與阿霉素之間為非共價鍵，僅通過分子間極性相連（見圖4），與相同濃度的純阿霉素相比，顯著降低了MCF—7和MDA—MB—231細胞（癌細胞）的活性，且通過富勒醇的負載，阿霉素的身體吸收量增大，能夠作為細胞內靶向載體制備抗癌藥物。

此外，富勒醇除了抗腫瘤活性外，由于分子具有強烈的吸電子還原特性，使其能夠清除生物體中的活性氧等自由基，拮抗氧化應激引起的細胞損傷，因此還能作為保護劑降低傳統抗癌藥物對機體的損傷。斯洛文尼亞學者Poto nik等[10]研究發現富勒烯醇預處理后的阿霉素能夠降低藥物誘導產生的心臟毒性，對人體具有保護作用。

在國內方面，國家納米科學中心的陳春英等[11]制備得到了一種負載有鹽酸阿霉素的納米粒子，所述納米粒子具有核殼結構，所述內核由富勒醇構成、所述外殼為聚乙二醇—聚乳酸—聚羥基乙酸嵌段聚合物，在富勒醇內核的表面負載有鹽酸阿霉素。該納米粒子粒徑合適，能夠實現鹽酸阿霉素的緩慢釋放，釋放曲線平穩，接近線性釋放，相較于傳統的以聚合物膠束作為藥物載體或者不使用載藥體系的治療方法，穩定性高，負載量高，在血清中納米粒子粒徑2周內沒有明顯的變化，同時還發現使用該納米粒子作為載體能夠有效防止因藥物突釋造成的毒副作用和心肌細胞損傷。

2.1.2直接作為抗腫瘤藥物使用

2005年，中國科學院高能物理研究所就金屬富勒醇Gd@C82（OH）22在制備抑制腫瘤生長的藥物中的應用提出了一項新的發明專利[12]，提出了一種對腫瘤實施“監禁”的新理論，并在2012年分別被美日歐授予了發明專利權，但在中國未被授權。

在該理論提出之前，具備特定腫瘤抑制性的富勒醇具體化合物種類尚屬空白，而在上述專利提出的十幾年間，諸多關于富勒醇在抗癌方面的具體化合物種類和新的應用被逐漸發現和發表，掀起了富勒醇研究的新高潮。

上述發明專利及其相關發表論文[13-15]提出富勒醇〔目標化合物為Gd@C82（OH）22〕本身“不殺死”腫瘤細胞，但可以促進腫瘤組織周圍形成厚纖維層，把腫瘤組織包裹其中，實現對腫瘤的“監禁”，阻斷腫瘤轉移（圖5所示）；同時Gd@C82（OH）22細胞毒性低，生物相容性好，相較于傳統化療藥物對人體傷害小。上述效果主要是通過以下2方面途徑得以實現：①抑制基質金屬蛋白酶（MMPs）、阻止細胞外基質的降解；②Gd@C82（OH）22分子作為膠原分子間的“橋梁”，促進膠原分子交聯，加固細胞外基質。

除去以上需要負載金屬（選自Gd、La等稀土金屬）才能起到抗癌作用的富勒醇，不負載金屬的富勒醇，即純粹的富勒醇同樣具備抗癌效果。Chengdu Sun等[16]發現在癌細胞的擴展過程中常發生血管生成，而C60（OH）22納米粒子能夠抑制血管生成，從而阻止癌細胞的侵襲和包圍；YangLiu等[17]將SMCC—7721癌細胞用富勒烯醇〔C60（OH）24〕處理 24h、48h和72h后，使用原子力顯微鏡（AFM）進行觀察，發現C60（OH）24能夠顯著降低SMCC—7721腫瘤細胞的彈性模量，在彈性模量降低的同時還伴隨著細胞形態的改變，細胞形態由原本的多邊形轉變為圓形；細胞剛性降低伴隨肌動蛋白纖維瓦解。國內，青島大學醫學院和青島科技大學的沈方臻等[18]采用C60（OH）n/C70（OH）n的富勒醇和氟尿嘧啶對小鼠移植性肝癌的生長的抑制作用進行平行試驗，發現富勒醇對小鼠移植性肝癌的生長具有明顯的抑制作用，且毒性較氟尿嘧啶小。

2.1.3 小結

當將富勒醇應用于腫瘤抑制和抗癌領域時，一種思路是將富勒醇或其衍生物作為載體或靶向載體，負載傳統抗癌藥物制備載藥納米粒子；另一種思路是將金屬富勒醇或純粹的富勒醇直接作為抗癌藥物使用。不論采用哪種方法，所得到的樣品均具有明顯的腫瘤細胞抑制性和低毒性，與傳統的化療藥物和靶向藥物相比，克服了傳統化療藥物毒性高、副作用大；靶向藥物研發成本高，價格貴的缺陷，有望成為新一代的腫瘤抑制劑用于研發抗癌新藥。

2.2 其他生物醫學應用

2.2.1心梗治療

單純干細胞移植治療心肌梗死領域，目前已有多種基于多糖和蛋白質的生物相容性水凝膠在心肌組織工程中得以廣泛應用，其可在一定程度上提高干細胞在體內的滯留率和存活率、進而促進受損組織的修復并改善心臟的功能。但是在設計時均為從心肌梗死的生理和病理微環境特征入手，缺乏主動清除心梗微環境中過多氧自由基（ROS）的能力，使宿主和移植細胞的活性受到很大的影響。同時缺乏導電性的本質也使其無法實現細胞間的電活性連接，使其與宿主之間的整合能力較差，影響對受損心肌的修復作用。

中國人民解放軍軍事醫學科學院的王常勇等[19，20]制備了一種由海藻酸和富勒醇復合的可注射性水凝膠，該水凝膠具有優異的可注射性和機械強度以及良好的生物相容性，更為重要的在氧自由基微環境下，富勒醇的引入可明顯減小棕色脂肪來源干細胞細胞間或細胞內ROS，減少或避免細胞的氧化應激損傷，通過調控MAPK家族信號通路和相關蛋白的表達促進BADSCs，促進受損心肌組織的修復并改善心臟的功能從而治療心梗。在可注射性心肌組織工程中具有潛在的應用前景。

2.2.3抗輻射

蘇州大學的許玉杰等[21]使用生物材料（混合類脂，即液態脂質與固態脂質混合的混合物）為載體，將富勒醇包裹起來，在其表面連接與核受體具有高度親和力的雌激素類似物制備細胞核靶向富勒醇硬脂質納米粒，該物質能夠通過多種生物屏障和核膜，高效率地載帶富勒醇到細胞核內，打破了傳統藥物只能針對細胞膜提供保護的限制，發揮其強大的清除自由基能力，從而實現對靶分子DNA的輻射防護的作用。

Sanja Trajkovic等[22]將富勒醇和傳統輻射保護劑amifostine（氮磷斯丁）共同用于抗輻射研究，血液學結果表明，富勒醇比氮磷斯丁更能阻止輻射誘導的白細胞計數減少，特別是在照射后的前7天。病理組織學檢查顯示，與在脾臟，小腸和肺部的氮磷斯丁相比，富勒醇具有更好的輻射防護作用；而在心臟、肝臟和腎臟中，氮磷斯丁依然具有更好的輻射保護作用。由此證實了富勒烯醇具有令人滿意的輻射防護功效，和作為輻射防護劑使用的潛力。

2.2.4疫苗制備

國家納米科學中心的陳春英等[23]發現傳統的疫苗用鋁佐劑在一定程度上抑制了機體的細胞免疫水平，同時其在注射部位能引起一定的炎癥和過敏反應；而富勒烯衍生物C60OxHy作為疫苗佐劑可提高機體的細胞免疫和體液免疫水平，同時可減少抗原的使用劑量或減少免疫次數；安全性好，對注射部位無明顯的刺激作用；具有抗氧化和清除自由基的功能，在充當免疫佐劑的同時，還可能提高機體抗氧化的防御能力，使機體維持穩態。適用于制備艾滋病病毒疫苗、乙型肝炎病毒疫苗和人乳頭狀瘤病毒疫苗等重大傳染病疫苗。

Ligeng Xu等[24]則發現除傳統的疫苗佐劑外，可以將富勒醇納米顆粒設計為形貌類似HIV—1病毒的雙功能納米佐劑，能同時吸引HIV—1的DNA和活化主體的免疫系統（作用機理見圖6），產生非常強的免疫反應并且具有對抗HIV—1DNA的高的傳輸能力，有望成為對抗HIV病毒的新型無毒納米佐劑。

2.2.4皮膚修復、止血微球和醫用海綿

具有新穎性的代表不僅包括以上提及的心梗治療、抗輻射劑以及疫苗佐劑，還包括皮膚修復、止血微球和醫用海綿等。

陳春英等[25]以聚乳酸—羥基乙酸和/或聚己內酯與任選的膠原蛋白以及多羥基富勒醇紡絲成膜。該紡絲膜具有良好的機械性能、生物相容性，對正常細胞無明顯的細胞毒性，提高其中所負載的多羥基富勒醇的抗氧化能力，具有抵抗氧化損傷、藥物緩釋的功能，用于制備皮膚氧化損傷或皮膚修復用的材料。

甘少磊等[26]將富勒醇與天然高分子（淀粉）復合制備止血微球，既具有良好的止血性能，又具有清除自由基，減少傷口愈合過程中色素沉積的作用；此外，甘少磊等[27]還以富勒醇為引發劑，與丙交酯、乙交脂、ε—己內酯合成生物可降解高分子材料，通過冷凍干燥技術加工成醫用海綿，具備優良的滲液吸收性能、機械性能和可降解性能。

3 除生物醫學外的其他應用

基于富勒醇本身獨特的物理化學性質，富勒醇在生物醫學之外的其他領域也得到了創造性應用，包括但不僅限于促進毛發生長、預防和治療齲病、無菌培養基、涂料、發動機冷卻液等。

中國科學院化學研究所王春儒等[28]公開了水溶性富勒烯衍生物在促進毛發生長和治療脫發中的應用，所述水溶性富勒烯衍生物為富勒醇和/或金屬富勒醇，其中的羥基數目為15～35。

劉寶剛等[29]公開了一種包含富勒醇及其衍生物的預防和治療齲病的口腔護理組合物。

梁太波等[30]公開了用碳納米材料（包括富勒醇）制備無菌培養基的方法，由此制備的培養基中無菌落出現，除菌效果良好。

吳瑛[31]公開了將富勒烯（或富勒醇）和電氣石組合制備干粉涂料，能夠釋放負離子及抑菌效果。

朱海濤等[32]公開了一種發動機冷卻液，該冷卻液中的富勒醇和有機酸緩蝕劑協同作用，對金屬具有理想的防腐效果。

4 結語

羥基化改性后的富勒醇，不僅繼承了明星分子富勒烯的原有優勢，還改善了富勒烯的水溶性、生物相容性，大大降低了其毒性，從而打破了富勒烯不能應用于生物醫學領域的限制，在腫瘤抑制和癌癥治療、心梗治療、抗輻射和疫苗制備等熱門領域獲得了嶄新的生命力。

作為一種新型衍生物，中國科學家在以上熱門領域中的研發已經走在世界前列，例如中國科學院高能物理研究所關于金屬富勒醇Gd@C82（OH）22在制備抑制腫瘤生長的藥物中的新發現，與傳統化療藥物相比，用量小、腫瘤抑制率高、毒性低、對身體損傷小，這對于無法承擔靶向藥的高價格，同時不堪忍受放化療毒副作用的病患無疑帶來了福音；中國人民解放軍軍事醫學科學院基礎醫學研究所將海藻酸-富勒醇復合水凝膠用于單純干細胞移植誘發心肌梗死的治療，國家納米科學中心將富勒醇作為能夠對抗HIV病毒的疫苗佐劑的新發現，在國內外均尚屬首例。

事實上，憑借優異的生物相容性、能夠清除自由基的抗氧化性、透膜活性以及獨特的形貌，科學家們有足夠動機用富勒醇替換在生物醫學領域許多常規的藥物和制劑，并將其應用于人們生產生活的各個領域。

然而，目前人們對于富勒醇的結構改性、清除自由基和抗癌機理、在生物醫學領域的治療效果的認知依然有限，剩余的研發空間體量依然很大。有志于此的后來者們所面臨的不僅僅是巨大的機遇，還有不低的風險和挑戰。

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