碳納米材料用于抗腫瘤藥物遞送的研究進展

張琦潤(墨爾本大學，澳大利亞 帕克維爾 3010)

0 引言

臨床上出現惡性腫瘤疾病的幾率越來越高，這對身體健康造成極大威脅。而就目前來說，惡性腫瘤治療的有效方法主要是手術、放療和化療三種方法，其中化療[1]應用普遍，是使用對癥的化療藥物進行疾病治療。但一般患者都需要長期用藥，而且很多藥物存在突出的不良反應問題，療效并不樂觀，所以如何提升化療藥物的治療有效性十分值得臨床研究[2]。使用納米載體技術提高抗腫瘤藥物的遞送效果，可以提升化療療效水平[3]。碳納米材料具有質量輕、理化性質穩定、生物相容性好、細胞穿透力強、易于修飾等優點，在醫藥領域尤其是用于抗腫瘤藥物遞送載體方面的研究備受關注，同時此方面的研究也取得了一定成果。本文就針對碳納米材料用于抗腫瘤藥物遞送的研究進展進行簡單總結論述。

1 碳納米材料簡介

碳納米材料，指的是分散相尺度至少存在一維低于100 nm的材料。而分散相可以由碳原子或異種原子，甚至納米孔組成。

近年來，碳納米技術逐漸成為一個熱門研究領域。2000年美國與德國科學家制備出由20個碳原子組成的空心籠狀分子結構，依照相關理論推算，包括20個碳原子僅僅是由正五邊形所構成，C60分子是富勒烯式結構分子中最小的一種結構，基于原子間結合力度和角度等方面的考慮，認為該分子十分不穩定，很難存在，但美國和德國科學家制出C60籠狀分子，使得材料學領域的一個重要研究課題得到了有效解決。碳納米材料中的納米碳纖維和納米碳管等存在相對良好的化學與物理特性，在眾多領域中都具有廣泛的應用。

2 碳納米藥物載體的優點

從人體生理學與組織學角度進行分析，惡性腫瘤細胞與正常細胞存在顯著差異。惡性腫瘤細胞屬于一種變異的細胞，可以無限增殖，破壞正常細胞結構[4]；還可以轉化成其他細胞，而且容易轉移，使得病變部位擴散。腫瘤部位的毛細血管管壁上一般存在著很多孔徑在數百納米的孔洞，影響著結構的完整性。同時，因為惡性腫瘤細胞可能會局部侵入周圍的其他正常組織，或經過淋巴系統轉移到其他部位，所以淋巴系統一般都被破壞，這導致很多大分子物質不能正常通過淋巴系統返回到血液循環系統中，從而在腫瘤組織內部出現大量的滯留和聚集，進而誘發病變，甚至出現擴散趨勢。碳納米材料正是借助這個原理實現在腫瘤部位的大量積聚，從而成為抗腫瘤藥物的遞送系統。和過去使用的藥物載體對比，碳納米材料具備多重優勢，比如：化學性能穩定、原材料成本低、比表面積大、活性較高、藥物吸附性較強等[5]，碳納米材料也可以進行功能化的修飾，支持實現腫瘤部位的靶向給藥，增加藥物治療的靶向性，強化療效。同時這種靶向給藥方式可以減少用藥劑量，繼而減少不良反應的發生，保證用藥的安全性[6]。

3 碳納米藥物載體的分類與開發

3.1 氧化石墨烯(GO)

GO是一種二維蜂窩狀網格結構，由單層碳原子以sp2雜化方式形成。選擇石墨作為原料，進行氧化和剝離處理后可以獲得單片層的GO。GO的水溶性和吸附性都比較好，但是在鹽溶液以及機體生理環境中可能會出現聚集沉降問題，增加了毒性，也影響到作為藥物載體的應用，所以需要對GO進行修飾。一般選擇表面改性的方式進行功能化修飾，這樣可以提高其在生理環境中的穩定性。具體修飾方法有共價、非共價兩種，前者是一種原子摻雜方式，會破壞GO的不飽和結構，而后者是一種氫鍵和范德華力的形式，不會破壞GO的結構。在進行修飾之后，GO就可以用作藥物載體。在已有研究中，有人提出使用IR820-LA(具備光熱性能)以及乳糖酸偶聯衍生物(具備主動靶向性)穩定GO，其中，IR820-LA結構中存在芳香基團，可以與GO的平面結合，使其形成載藥體系，產生熒光成像和化學及光熱治療能力，而且這種能力具備主動靶向性。經過臨床試驗表明，這種方法形成的試劑擁有良好的化學及光熱治療效果，腫瘤靶向性也比較好[7]。部分人員選擇綠色化學的異構化、偶聯和縮合反應等原理，在天然丁香酚D1的基礎上，合成一系列衍生物，形成藥物載體體系，其可以與GO表面的含氧官能團偶聯，產生的復合體能夠誘導腫瘤細胞內的鈣離子釋放工作，使得相關細胞出現凋亡，進而產生抗腫瘤效果[8]。

3.2 碳富勒烯(CFs)

CFs是一種籠狀熔合環結構，屬于碳同素異形體，其結構對稱，因此在非極性溶液中有較差的分散性，很容易自主聚集[9]。所以利用CFs用于抗腫瘤藥物遞送，也需要先進行功能化修飾，然后選擇生物大分子進行偶聯，形成的復合物就能具備較好的溶解度以及生物活性，可以發揮藥物載體作用。從目前的實踐工作來看，CFs可承載大部分的化療藥物，并可以增強藥效。比如有研究人員選擇使用CFs包封替莫唑胺、丙卡嗪、卡莫司汀和洛莫司汀等藥物，發現其用于治療多發性膠質母細胞瘤時有良好效果，因為這樣處理之后可以使藥物更好地跨越血腦屏障。也有研究人員選擇CFs并利用磁性表面活性劑(CTAF)進行改性，制作成順磁性碳富勒烯(CFs@CTAF)，然后選擇透明質酸作為底物，形成的衍生物與CFs@CTAF組裝，得到的最終產物可以用于承載模型藥DOX，同時評估了其對于HepG2細胞的抑制活性，實驗結果表明，在這個復合體承載藥物之后，與直接用藥相比，在兩者的濃度都是7.5 μg/mL時，復合體承載藥物組別的細胞存活率只有41.94%，而另一組的高達83.37%，這意味著如此處理之后有更好的抗腫瘤效果。

3.3 碳納米管(CNTs)

CNTs是一種無縫、中空圓柱體結構，形成原理與GO相似。按照石墨烯片層數的不同，可以分為單壁(SWCNTs)、多壁(MWCNTs)兩種形式。單壁的結構相對穩定，而多壁的結構不太穩定，存在缺陷。CNTs要想作為藥物載體，需要先進行功能化修飾，也分為共價、非共價兩種方式。經過修飾可以有效提高CNTs的載藥量、分散性以及生物相容性等性能，不僅可以用于承載化療藥物，也適用于基因藥物、抗原抗體等，作用領域變得更加廣泛，并且處理后藥物的抗腫瘤作用都有所提升。比如，有研究人員選擇卵清蛋白(OVA)作為模型抗原，吸附在經過甘露糖修飾的Man-MWCNTs表面，形成的復合物使用到機體中，可以提高樹突狀細胞的成熟率[10]，從而進一步發揮OVA誘導樹突狀細胞成熟的作用，刺激其釋放細胞因子，發揮腫瘤免疫治療作用的功能。有研究人員選擇PSE偶聯到PEG化SWCNTs表面，然后與TRAIL或Apo2L相互鍵合，得到的復合物可以依托特異性與腫瘤細胞表面受體相結合，誘導其凋亡，但不損害正常細胞，與單獨使用TRAIL的效果進行對比，處理后復合物的誘導效率增強了20倍左右，抗腫瘤效果十分突出。也有研究顯示，CNTs在近紅外光區域(780～2 526 nm)的吸收峰較好，經過持續照射之后，可以將光能轉化成熱能，滿足腫瘤組織消融溫度的要求，而溫度升高之后其本身結構會被改變，繼而釋放出承載的藥物，實現光熱療和化療相結合的功效。比如有研究人員選擇808 nm的近紅外光持續照射已經注射過PEG-SWCNTs的荷瘤小鼠腫瘤部位，產生的光熱治療效果較好，可以完全破壞其腫瘤細胞，并使患病小鼠的平均預期壽命增加一倍。

3.4 碳點(CDs)

CDs是一種碳六元環蜂窩狀的片層結構，成分包括碳、氫、氧和氮等，是研究出的新型碳納米材料。CDs的優勢在于粒徑小、透過性好、生物安全性高等，所以可以使用負載抗腫瘤藥的生物大分子進行修飾，建立起相關的藥物載體體系。CDs目前被廣泛應用在藥物遞送、熒光成像等領域。有研究人員提出“接枝”法，選擇M-HPG殼包覆CDs，所形成的復合物有著良好的水溶性、低生物毒性，而且熒光顯象表現出強藍色，其在藥物遞送和生物成像領域的應用前景十分廣闊，潛力突出。也有研究人員使用堿性溶液降解PPA聚合物[11]，處理得到親水性的CDs，然后使用負載華蟾蜍精的脂質體進行包裹，形成的復合物具有親油性特點。臨床研究表明，它可以顯著提高CDs的光致發光強度，同時也具備體內生物成像功能[12]，用于藥物載體具備持續釋放藥物、抗腫瘤效果好、不良反應少等優勢。

3.5 納米金剛石(NDs)

NDs屬于納米級金剛石微粉，同時擁有納米材料和金剛石材料的優點，粒度極小，基本上是球形或橢球形。在生物醫學領域，NDs的吸引力巨大，社會關注熱度也非常高，應用前景十分廣闊。對NDs進行功能化修飾后得到的復合物，可以用于藥物載體，也可以用于熒光探針和生物成像[13]。有研究人員選擇對NDs進行羧基化，實驗發現獲得的復合物可以抑制HepG2細胞的遷移活動，進行PCR檢測發現可以影響到細胞遷移相關基因mRNA的表達水平，所以也能夠調節細胞行為。還有研究人員使用含釹的蠶絲蛋白處理NDs，形成的復合物經檢測發現可以提高NDs的擴散速率，也增加了光致發光強度，適合用于藥物載體以及生物成像方面的研究。還有研究人員選擇姜黃素與NDs結合，發現復合物的活性顯著提高，經試驗顯示，復合物的存在不影響雞胚發育，并可以提高HepG2細胞的凋亡率，具備較好的抗腫瘤應用價值[14]。

4 碳納米材料應用展望

碳納米材料憑借其自身的特點，在腫瘤藥物遞送及其治療中具有十分廣闊的發展空間。從光學發展上來看，CNTs具有比較強的吸收光強特點，這使其在腫瘤成像和藥物追蹤檢測中發揮更加顯著作用。從載藥發展上來看，相較于GO，CNTs存在更大的管腔結構，加之封堵技術的有效應用，不但可以明顯加大比表面積，獲取更高的藥物載量，同時可以保證藥物的緩釋和控釋過程得以有效實現。

作為一種新型腫瘤治療工具，碳納米材料給患者腫瘤的診斷、治療及其監控提供了一種新型且有效的方式，逐漸變為了近年來醫學領域關注的熱點，然而碳納米材料在具體應用中也存在一定的不足，主要如下：

(1)安全性和生物相容性。有學者提出“物理損傷是納米毒性的根源”，該學說認為，僅僅是生物相容且可降解的納米材料方能作為藥物相應的載體。盡管碳素材料可以使得載體相應的細胞毒性有所減小，然而沒有經過修飾，或是修飾不夠完善的碳納米材料在生物相容性上依然相對較差，在進入人體后會產生比較顯著的細胞毒性，并會造成一定的細胞損傷。當前，針對碳納米材料的相關研究，均停留于分子水平、細胞水平，或是整體動物水平上，針對人體會產生的長期毒性和不良反應方面的研究依舊不是十分深入，存在著材料對人體和機體中所產生物質相容性、機體中藥物動力學很難得到控制、使用劑量把握不準和給藥途徑不明等眾多方面的問題，同時對此也很難尋找到明確的證據予以相應的支持。所以，今后依舊需要探尋更為良好的表面修飾方法，以降低材料的毒性，有效提升材料的生物降解性和相容性，使其作用得以更為有效且安全地發揮。此外，也需要制定相關的國際性監管標準和可靠的方法，用以評估碳納米材料載藥所具有的安全性。

(2)放大生產。在載藥方面，碳納米材料的相關研究報道多數都限制于實驗室研究，在大規模生產需要使用的設備、質量控制和成本控制等眾多方面的研究相對較少。在進行工藝放大時，碳納米載藥材料的加工工藝相對較難控制，同時具有較差的重現性，很難采用傳統的簡單方式進行生產和檢驗。

(3)生物屏障。在腫瘤細胞中，具有會對碳納米載藥粒子積累產生抑制作用的相應生物屏障，這樣便會導致碳納米載藥粒子很難深入到腫瘤細胞內，或是容易被人體吞噬細胞攝取，而并非作用于腫瘤細胞。另外，人體中也存在很多會對碳納米顆粒分布狀況和消除造成影響的相應生理屏障，例如血-腦脊液屏障與腎系統等。經過修飾處理的碳納米顆粒暴露于等離子體等一些生物流體中，各種不同的生物分子會對其表面形成覆蓋，產生大分子冠冕，這樣便掩蓋了碳納米顆粒所具有的靶向能力，導致碳納米載體的腫瘤靶向作用受到一定程度的影響，藥物實際效果也會有所減弱。

5 結語

從醫學臨床上分析，碳納米材料的應用已成為抗腫瘤藥物遞送載體研究的重點領域。形成的碳納米藥物可以減少毒性，增強藥效，經過表面修飾之后能夠獲得多種功能，同時載藥之后粒徑增加，大大提高了生物安全性，應用前景十分廣闊。目前碳納米材料類型眾多，用于抗腫瘤藥物遞送載體方面各有各的優勢，還需要進一步研究以選擇最佳的材料或者開發性能更好的材料，推動抗腫瘤事業的發展，提高臨床抗腫瘤治療的有效性和安全性。