石墨烯族納米材料的醫藥學特性及其對間充質干細胞增殖和成骨分化影響的研究進展

魏子媛 張曉東 何 軍 劉丹陽 王 洋 沈 雷

齊齊哈爾醫學院基礎醫學科研中心，黑龍江齊齊哈爾 161006

骨損傷問題在世界范圍內變得日益嚴重[1]。目前，臨床將骨移植手術視為骨損傷修復的“金標準”，但這種療法存在很大局限性如：異體骨移植可能會造成免疫排斥反應，自體骨移植可能會造成二次傷害。骨組織工程將材料科學和細胞生物學相結合來修復骨損傷避免了“金標準”局限性。石墨烯族納米材料（graphene family nanomaterials，GFNs）聯合間充質干細胞（mesenchymal stem cell，MSC）是促進骨損傷修復的新技術[2-3]，但是其分子機制并不清晰。研究發現，GFNs可促進MSC 增殖或成骨分化[4-5]，但也有研究認為長時間接觸GFNs 可能抑制細胞增殖或成骨分化過程[6]。目前相關研究多集中在探究正面效應，即GFNs 可促進MSC 增殖和成骨分化，但鮮有研究探索負面效應。針對這一現狀，為安全地使用GFNs，本文首先綜述GFNs 優越的醫藥學特性，隨后綜述GFNs 對MSC 增殖和成骨分化的影響，為骨組織工程提供理論依據以期充分發揮GFNs 的積極效應避免消極影響，從而能夠指導更好地促進骨損傷修復。

1 GFNs 的醫藥學特性

石墨烯是碳的同素異形體，未經處理的石墨烯具有疏水性，氧化石墨烯（graphene oxide，GO）、石墨烯量子點（graphene quantum dots，GQD）、氧化石墨烯量子點（graphene oxide quantum dots，GOQD）、氧化還原石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）等GFNs 具有優越的醫藥學特性，使其在醫學和藥學領域有廣泛應用。

1.1 組織工程支架

GFNs 具有良好的可塑性、生物相容性和機械特性等性能，可滿足不同器官組織工程所需支架的要求，GFNs 作為納米生物材料支架被用在多個組織工程領域，促進了骨[7-10]、皮膚[11-12]、神經[13-15]等組織的修復和再生。利用水凝膠、靜電紡絲、3D 打印等技術制備GFNs 改性聚合物，從而獲得富含GFNs 的納米生物復合支架，提高了支架的黏附性、緩釋藥物作用，并符合人體生物力學特性。

1.2 抗菌抑菌

GFNs 可通過吞噬作用進入細菌內部或在細菌周圍形成物理性隔斷而營造出營養缺陷區等物理方式對細菌產生殺傷作用。因此，GFNs 作為抗菌劑成功運用在口腔醫療[16]、傷口敷料[17]、醫用材料[18]等領域。伍韓雪等[19]發現石墨烯抑制白色念珠菌等真菌生長。GFNs 抗菌機制可分為：機械破壞、氧化應激、磷脂抽提、電子轉移、光熱效應和自殺傷效應等[20]。需要注意的是GFNs 的抗菌機制沒有特異性，在殺傷細菌的同時也會損害正常細胞，因此在利用GFNs 抗菌時，建議體表或局部給予小劑量GFNs 制劑，能盡可能減少對周圍正常細胞的損傷。

1.3 光學成像和光學治療

石墨烯具有的零帶隙結構表現出良好的光學特性，可用于熒光成像、光動力治療或光熱治療等醫用光學領域。在熒光成像領域，GQD 的量子點結構呈現出更優異的光學性質，易選用GQD 進行細胞熒光成像[21-24]。在光動力治療領域，Ju 等[25]報道GQD 作為光敏劑通過光動力效應會產生活性氧（reactive oxygen species，ROS），進而破壞細胞壁，阻斷細胞能量代謝而殺傷細胞。在光熱治療領域，被激光照射后的GFNs在躍遷過程中產熱，利用熱能灼傷相應細胞。Costa等[26]將rGO 作為光熱劑，通過光熱效應達到消滅乳腺癌細胞的治療目的。GFNs 的光學特性在熒光成像方面表現出巨大的潛能，GQD 吸收光譜廣，使用近紅外二區光照射GQD，能夠被激發產生熒光量子產率極高的共振熒光。GQD 標記配體作為熒光探針與相應受體結合后實現細胞或動物靶向成像的作用。這種GFNs 光學成像技術在疾病診斷、靶向治療或研究藥物代謝過程、觀察細胞分布等眾多醫藥領域具有廣泛的應用潛力，也是創造GFNs 經濟價值的重要領域。

1.4 藥物輸送載體

研究表明，GFNs 的低細胞毒性和有效排出體外特點，保證了使其具有良好的生物相容性。氧化石墨烯具有兩親性：中間的環氧基、羥基和π-π 鍵，可順利地與脂溶性藥物連接；碳環邊緣的羧基和羰基具有親水性，可與水溶性藥物連接。納米級石墨烯量子點比表面積大，可負載大量脂溶性或水溶性藥物[27]。GFNs 對周圍環境酸堿度具有敏感響應性，酸堿度在中性條件下GFNs 載藥負載量最大；若在酸性條件下GFNs 呈現釋放所載藥物特點，保證了局部使用GFNs可達到緩釋藥物，持續作用的良好效果[27-29]。此外，GFNs 還能夠精準地被腫瘤細胞攝取而實現靶向性治療[28-29]。因此，GFNs 是制藥行業前景巨大的藥物輸送載體。

2 GFNs 對MSC 的影響

MSC 具有多系分化的潛能，在體內或體外誘導條件下，可分化為脂肪、骨、軟骨等多種組織細胞。骨組織工程中可利用GFNs 聯合MSC 的方法修復骨或軟骨等硬組織損傷。

2.1 GFNs 對MSC 增殖和成骨分化影響的研究

GFNs 類型、濃度以及作用時間等因素都影響MSC增殖或成骨分化過程，GFNs 對MSC 增殖或成骨分化影響表現為“促進或抑制”的雙重效果。Yang 等[30]實驗結果顯示，GOQD 促進MSC 增殖和成骨分化效應優于GO。Wang 等[31]實驗結果顯示，雙氫氧化物石墨烯量子點（LDH-GQD）在第72 h 促進MSC 增殖的效果最好，在第14 天明顯促進MSC 成骨分化。Yang 等[32]利用細胞周期、CCK-8、細胞凋亡等實驗證明50 μg/ml GOQD 是作用于MSC 的安全界限，如果GOQD 高于此濃度則明顯抑制MSC 增殖或成骨分化，反之則促進MSC 增殖和成骨分化。Li 等[33]學者也發現10 μg/ml GOQD 短時間內會明顯促進MSC 增殖和成骨分化。Geng 等[34]實驗結果顯示，被表面攜帶中性或負性電荷的石墨烯量子點作用的MSC，隨著作用時間的遞增，MSC 成骨分化能力逐漸降低。研究提示，高濃度GFNs或長時間作用于MSC 可能會產生不良反應。雖然各研究文獻的實驗指標不同，但可以認為被表觀修飾的不同類型石墨烯對MSC 增殖和成骨分化影響不同。50 μg/ml GFNs 濃度似乎是安全閾值，小于此濃度的GFNs 作用于MSC 似乎是安全的，若GFNs 高濃度或長時間作用于MSC，則可能會產生抑制增殖和成骨分化的不良影響，其機制還需要深入揭示。

2.2 GFNs 對MSC 增殖和成骨分化影響的分子機制

GFNs 如同一把雙刃劍，既能促進也會抑制MSC增殖和成骨分化。促進效應的分子機制主要觀點包括MSC 表面存在大量整合素受體，這類受體為力敏感類型，當MSC 與GFNs 接觸后，整合素上β 亞基結構發生變化，通過踝蛋白等銜接蛋白介導而激活黏著斑激酶，完成生物力化學信號轉導，隨后上調下游與細胞增殖和成骨分化的相關通路[35]。此外，短時間或低濃度GFNs 在MSC 內會產生ROS，當細胞內抗氧化系統失衡時，MSC 處于氧化應激狀態，隨后不能被抗氧化系統清除的ROS 會作用于線粒體而產生線粒體自噬現象，溶酶體降解損傷的線粒體細胞器為MSC 提供營養和ATP，促進MSC 增殖和成骨分化[36-37]。GFNs對MSC 發揮抑制效應的可能機制包括高濃度或長時間接觸GFNs 產生的大量ROS 破壞氧化還原系統，抑制能量代謝或損傷DNA 遺傳物質，造成細胞非程序性損傷、細胞凋亡、自噬性死亡及鐵死亡等過程，產生細胞毒性。深入研究GFNs 的安全性能，是如何正確使用GFNs 的關鍵環節。

3 展望

GFNs 憑借優越的組織工程支架、抗菌抑菌、光學成像、光學治療和藥物輸送載體等醫藥學性質被廣泛用到骨組織工程領域。為了更好地闡明GFNs 對MSC的影響，應利用高通量測序、代謝組學等技術揭示不同濃度、不同作用時間或不同表觀修飾的石墨烯對MSC 基因組學影響；同時開展材料學、高分子化學、組織工程學、醫學、藥學等多學科聯合研究，利用大動物開展動物模型實驗，深入揭示GFNs 對人體的生物學影響和分子機制，以找到GFNs 的安全使用條件，擴大其應用范圍。