氧化石墨烯納米載體在膠質瘤治療中的研究進展

梁穎 許源

[摘要] 膠質瘤是常見的中樞神經系統原發性腫瘤，臨床治療普遍采用手術切除后放化療，但其治療效果不佳。氧化石墨烯納米載體具有優良的理化性質，主要通過藥物化療、免疫療法和光熱療法三種途徑在膠質瘤的治療中發揮重要作用。本文對近年來氧化石墨烯納米載體在膠質瘤治療中的研究作一綜述，以期為膠質瘤的生物治療提供參考依據和新思路。

[關鍵詞] 氧化石墨烯;膠質瘤;納米載體

[中圖分類號] R739.41? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-7210（2020）03（a）-0051-04

[Abstract] Glioma is a common primary tumor of the central nervous system， radiotherapy and chemotherapy after surgical resection are commonly used in clinical treatment， but the therapeutic effect is not good. Graphene oxide nanocarriers have excellent physicochemical propertie and play an important role in the treatment of glioma mainly through drug chemotherapy， immunotherapy and photothermal therapy. This paper reviews the recent research progress of graphene oxide nanocarrier in the treatment of glioma in order to provide reference and new ideas for the biological treatment of glioma.

[Key words] Graphene oxide; Glioma; Nanocarrier

膠質瘤是常見的中樞神經系統原發性腫瘤，由人腦星形膠質細胞產生，約占顱內腫瘤的27%，發病率較高且易轉移，是最具侵襲性和致命性的惡性腫瘤之一[1]。在所有膠質瘤中，膠質母細胞瘤（glioblastoma，GBM）最為常見[2]。目前，GBM的標準治療采用手術切除后放化療，由于GBM呈現浸潤性生長，手術不易完全切除，且GBM對化療藥物敏感性低，治療效果不佳，據報道，GBM患者1年生存率約為30%，5年生存率低于5%[3-4]。隨著對膠質瘤發生發展機制的不斷認識，從膠質瘤分子生物學角度尋找納米載體聯合靶向治療有望成為一種新型治療方法，有關納米藥物載體的研究也逐漸成為近年來的熱點。

1 納米載體概述

用作載體的納米材料尺寸普遍在1～1000 nm之間[5]。納米載體是將納米材料作為載體，通過化學鍵結合、物理吸附等手段將抗腫瘤藥物包封于納米顆粒中，通過識別靶點作用將載藥納米顆粒傳導至病患部分，通過特定的物理、化學及生物調控方式將藥物以最適量釋放，發揮治療效果[6-7]。

2 氧化石墨烯概述

2.1 氧化石墨烯

石墨烯是碳原子以Sp2雜化方式連接形成的蜂窩狀碳結構物質，呈六角形蜂巢層狀結構[8]。氧化石墨烯（graphene oxide，GO）作為石墨烯氧化后的衍生物，其邊緣和平面含有大量的羧基、環氧基、羥基等含氧官能團，是可進行化學修飾的活性位點[9]。大量含氧基團的存在，使GO具有良好的水溶性和分散性[10]。GO骨架為芳香環，具有較大的比表面積和豐富的功能基團，一方面在π-π堆積作用下可大量吸附抗癌藥物，提高藥物負載率;另一方面，可以結合蛋白質、核苷酸片段、適配體和其他生物大分子，實現靶點的識別和功能化修飾[11-12]。

2.2 氧化石墨烯載體

腫瘤組織因淋巴管壁塌陷導致淋巴循環受阻，大分子和納米級材料無法經淋巴系統返回血液中，從而被動滯留于腫瘤組織中發揮作用，即腫瘤的高滲透與滯留效應（enhanced permeability and retention effect，EPR）[13]。EPR為納米材料作為載體靶向腫瘤發揮抗腫瘤作用提供了依據。氧化石墨烯納米載體系統與傳統的抗腫瘤運載體系比較，具有更多的優點：①良好的分散性能和血液相容性，適應人體液態環境[14]。②較大的比表面積，可與蛋白質、單鏈DNA堿基等緊密結合，便于多功能修飾[15]。③單原子層厚度，其兩個基面均可吸附藥物，具有其他納米材料無可比擬的超高載藥率[16]。④具有緩釋性，可延長藥物的半衰期[17]。⑤具有良好的生物安全性，對人體毒害較小[18]。

2.3 氧化石墨烯載體的功能化修飾

石墨烯穩定性高，不易與其他介質進行反應，限制了其作為藥物載體的應用。對氧化石墨烯的結構和性能進行功能化修飾，是提高石墨烯載體利用率的有效途徑。目前，氧化石墨烯的功能化修飾方法主要分為共價修飾和非共價修飾兩類。共價修飾是指利用化學反應對氧化石墨烯表面的活性環氧基團進行改性，而非共價鍵修飾應用更為巧妙，它通過π-π相互作用、離子鍵和氫鍵等對石墨烯進行功能化修飾，一方面賦予氧化石墨烯新的優異性能;另一方面可使石墨烯溶于極性溶劑，提高其分散性[19]。

2.3.1 氧化石墨烯載體的共價修飾? 氧化石墨烯表面含有大量活性氧基團，如羥基、羧基、羰基等，可通過酯鍵、酰胺鍵等共價鍵與其他基團進行化學反應，對其性能進行優化。Veca等[20]將富含-OH的聚乙烯醇，通過-OH與-COOH的酯化反應連接在氧化石墨烯表面，制備得到了聚乙烯醇-石墨烯復合物，該復合物可穩定分散于水、乙醇等溶劑中。

2.3.2 氧化石墨烯載體的非共價修飾? 除共價修飾外，氧化石墨烯還可通過π-π共軛、靜電作用等非共價鍵作用對其進行功能化修飾和改造。石墨烯表面具有大量的電荷，DNA和一些小分子藥物、小分子特異標志物等可通過π-π共軛、靜電作用等非共價鍵作用固定于氧化石墨烯表面，使氧化石墨烯成為理想的靶向載體應用于藥物傳導領域。Depan等[21]將葉酸通過靜電作用吸附于氧化石墨烯表面，構成可特異性識別腫瘤細胞的載體。

3 氧化石墨烯納米載體在膠質瘤治療中的應用

3.1 氧化石墨烯納米載體-藥物化療

對顱內腫瘤而言，普遍面臨的障礙之一是化療藥物因血腦屏障的限制難以到達腫瘤部位[22]。將氧化石墨烯納米材料作為載體輸送藥物，可以穿透血腦屏障集中于膠質瘤部位，通過膠質瘤對納米材料的EPR效應使其被動靶向于膠質瘤部位，并且可以防止藥物被網狀內皮系統吞噬，達到保護藥物的目的，是運載藥物到達膠質瘤腫瘤部位的理想載體[13，23-24]。

Yang等[25]通過π-π共軛作用制備了負載鹽酸阿霉素（DXR）的GO-DXR復合物，結果表明DXR的釋放呈良好的pH依賴性，在腫瘤細胞內、腫瘤細胞周圍等酸性環境中釋放量顯著高于在正常生理環境中。卡莫司汀[1，3-bis（2-chloroethyl）-1-nitrosourea，BCNU]是治療膠質瘤的常用化療藥物，Lu等[26]發現用聚丙烯酸修飾的氧化石墨烯可通過共價結合攜載BCNU，大大延長了BCNU的藥物半衰期，且誘導小鼠腦膠質瘤細胞衰亡能力更強。氧化石墨烯具有豐富的含氧基團，可以用于負載藥物，此外，通過修飾適當的靶分子還可用作藥物載體，在一定程度上實現對腫瘤的靶向治療。Tf（transferrin，Tf）與膠質瘤細胞表面轉鐵蛋白受體具有強親和力，Liu等[27]將Tf作為靶向功能基，阿霉素為化療藥物，構建了一種新型的具有膠質瘤靶向性的Tf-nGO-DOX納米載藥系統，體內實驗顯示，Tf-nGO-DOX明顯延長荷瘤大鼠的生存期，可有效的抑制腫瘤生長。Wang等[28]用普朗克127修飾氧化石墨烯，得到負載Dox的PF127-GO-DOX復合材料，對人膠質瘤殺傷作用顯著。

3.2 氧化石墨烯納米載體-免疫治療

免疫治療主要依據機體免疫功能與腫瘤發生發展和轉歸的相互關系，采取干預措施調控機體對腫瘤的免疫應答，達到抗腫瘤效果[29]。DC細胞俗稱樹突狀細胞，是目前研究已知最重要的抗原遞呈能細胞。通常情況下人體內的DC細胞數量很少，只有在抗原遞呈細胞能正常發揮抗原遞呈作用的時候，身體才能有效識別病原，誘導免疫應答，產生正常的免疫反應[30]。腫瘤患者體內DC浸潤較少且功能受損，無法正常發揮提呈抗原作用，重新活化DC以啟動抗腫瘤免疫應答，是近年來腫瘤免疫治療重要的熱點之一。對中樞神經系統腫瘤來說，活化D途徑可同時促進腫瘤微環境中淋巴細胞浸潤，精確特異地監測整個中樞神經系統[31]。Wang等[32]將膠質瘤識別肽抗原（glioma peptide antigen，Ag）負載在氧化石墨烯表面制成GO-Ag復合物，以人膠質瘤細胞系T98G為模型，用GO-Ag復合物刺激DC可有效誘導特異性的抗腫瘤免疫反應，淋巴細胞分泌的γ干擾素（IFN-γ）也顯著增加，但對體內正常組織細胞活性幾乎沒有影響，表明GO-Ag復合物具有增強DC介導抗膠質瘤免疫反應的功能。

3.3 氧化石墨烯納米載體-光熱療法

光熱療法是指在人體內注入具有強光熱轉換性能的材料，將其靶向運輸至腫瘤組織，在外部進行光源照射，通過將光能轉換為熱能達到滅活腫瘤細胞的目的[33]。氧化石墨烯是潛在的光敏劑，在808 nm近紅外激光照射下可將光能轉換為熱能，而生物系統大多在此區域光下不敏感，因此，利用石墨烯進行光熱治療，可在殺滅腫瘤細胞的同時，不損傷正常組織，且不需直接接觸人體組織，與常規治療方法如手術、化療、放療等比較，更加無創、安全[34]。李忠軍等[35]在單層氧化石墨烯表面偶聯靶向分子Tf，制備得到功能化NGO-Tf-FITC微粒，在808 nm進行紅外線照射后用流式細胞儀檢測對腦膠質瘤U251細胞的殺傷效果，顯示NGO-Tf組細胞凋亡和死亡指數明顯高于NGO-FITC組和空白對照組，表明功能化NGO-Tf微粒對腦膠質瘤U251細胞具有顯著靶向光熱殺滅作用。張達等[36]選擇表面高表達整合素αvβ3蛋白抗原的人惡性膠質瘤細胞（U87-MG）為模型，以整合素αvβ3單克隆抗體為靶向配體，制備了偶聯有αvβ3單克隆抗體的氧化石墨烯載體，實驗結果顯示，這種復合載體可主動靶向U87-MG，在808 nm近紅外激光照射下復合載體局部產生高熱，CCK8細胞毒性試驗證實復合載體可有效殺傷U87-MG細胞，且殺傷效果與復合載體濃度呈依賴性。

4 小結

總體來說，氧化石墨烯載體憑借其優良的理化性質廣泛地應用于膠質瘤的治療中，在藥物化療、免疫治療和光熱治療等醫學方面顯示出廣闊的應用前景。目前，將氧化石墨烯作為納米載體尚停留在初步研究階段，仍有許多問題需要解決，例如功能化修飾后的氧化石墨烯納米載體在機體內的有效性和安全性、在腫瘤組織中的分布和靶向性仍需進一步提高。此外，對氧化石墨烯納米載體進行多功能、多靶點修飾，以提高對膠質瘤的靶向特異性和延長瘤內滯留時間也是未來的研究重點。

[參考文獻]

[1]? 《中國中樞神經系統膠質瘤診斷和治療指南》編寫組.中國中樞神經系統膠質瘤診斷與治療指南（2015）[J].中華醫學雜志，2016，96（7）：485-509.

[2]? Brown CE，Alizadeh D，Starr R，et al. Regression of Glioblastoma after Chimeric Antigen Receptor T-Cell Therapy [J]. N Engl J Med，2016，375（26）：2561-2569.

[3]? Prelaj A，Rebuzzi SE，Caffarena G，et al. Therapeutic approach in glioblastoma multiforme with primitive neuroectodermal tumor components：Case report and review of the literature [J]. Oncol Lett，2018，15（5）：6641-6647.

[4]? Ananta JS，Paulmurugan R，Massoud TF. Nanoparticle-Delivered Antisense MicroRNA-21 Enhances the Effects of Temozolomide on Glioblastoma Cells [J]. Mol Pharm，2015，12（12）：4509-4517.

[5]? Priyadarsini S，Mukherjee S，Mishra M. Nanoparticles used in dentistry：A review [J]. J Oral Biol Craniofac Res，2018， 8（1）：58-67.

[6]? Tibbitt MW，Dahlman JE，Langer R. Emerging Frontiers in Drug Delivery [J]. J Am Chem Soc，2016，138（3）：704-717.

[7]? Fathi Karkan S，Mohammadhosseini M，Panahi Y，et al. Magnetic nanoparticles in cancer diagnosis and treatment：a review [J]. Artif Cells Nanomed Biotechnol，2017，45（1）：1-5.

[8]? Wang F，Liu L，Li WJ. Graphene-Based Glucose Sensors：A Brief Review [J]. IEEE Trans Nanobioscience，2015，14（8）：818-834.

[9]? Suvarnaphaet P，Pechprasarn S. Graphene-Based Materials for Biosensors：A Review [J]. Sensors（Basel），2017，17（10）：2161.

[10]? Shareena TPD，Mcshan D，Dasmahapatra AK，et al. A review on graphene-based nanomaterials in biomedical applications and risks in environment and health [J]. Nano-micro Lett，2018，10（3）：53.

[11]? Wu X，Mu F，Wang Y，et al. Graphene and Graphene-Based Nanomaterials for DNA Detection：A Review [J]. Molecules，2018，23（8）：pii： E2050.

[12]? Kumar S，Chatterjee K. Comprehensive Review on the Use of Graphene-Based Substrates for Regenerative Medicine and Biomedical Devices [J]. ACS Appl Mater Interfaces，2016，8（40）：26431-26457.

[13]? Spitzbarth M，Scherer A，Schachtschneider A，et al. Time-，spectral- and spatially resolved EPR spectroscopy enables simultaneous monitoring of diffusion of different guest molecules in nano-pores [J]. J Magn Reson，2017， 283：45-51.

[14]? Daniyal M，Liu B，Wang W. Comprehensive Review On Graphene Oxide For Use In Drug Delivery System [J]. Curr Med Chem，2019.

[15]? Mohammadrezaei D，Golzar H，Rezai Rad M，et al. In vitro effect of graphene structures as an osteoinductive factor in bone tissue engineering：A systematic review [J]. J Biomed Mater Res A，2018，106（8）：2284-2343.

[16]? Yang K，Feng L，Liu Z. The advancing uses of nano-graphene in drug delivery [J]. Expert Opin Drug Deliv，2015，12（4）：601-612.

[17]? Matteini P，Tatini F，Cavigli L，et al. Graphene as a photothermal switch for controlled drug release [J]. Nanoscale，2014，6（14）：7947-7953.