富勒烯及其衍生物在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

文麗君

（海南醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，海南 ?？?571101）

富勒烯C60因其獨(dú)特的三維共軛結(jié)構(gòu)賦予了它獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，為科學(xué)研究帶來了許多契機(jī)，被譽(yù)為21世紀(jì)的明星分子。去年曾有科技新聞報(bào)道:日本學(xué)者野入英世和中村榮一等成功地向動(dòng)物體內(nèi)植入可運(yùn)載基因的富勒烯(C60),以用于醫(yī)學(xué)治療。該研究成果拉開了開發(fā)低毒高功能基因植入法的序幕。對富勒烯及其衍生物的生物活性研究結(jié)果表明它們在抗氧化活性和細(xì)胞保護(hù)作用、抑制HIV酶和抗病毒作用、藥物載帶、腫瘤治療和疾病診斷、抗菌活性等醫(yī)藥領(lǐng)域存在巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

一、富勒烯及其衍生物的抗氧化與神經(jīng)保護(hù)作用

富勒烯表面有大量的共價(jià)雙鍵，極易與游離基反應(yīng)，被喻為"吸收游離基的海綿"。正是由于這一特性，一些富勒烯衍生物可以作為生物系統(tǒng)中的自由基清除劑和水溶性的抗氧化劑。Chiang等[1~3]報(bào)道了富勒醇對胃癌病人血液中自由基的清除作用；還能清除黃嘌呤和黃嘌呤氧化酶在水溶液中產(chǎn)生的超氧自由基；證實(shí)六磺酸基富勒烯清除自由基抑制血漿中脂質(zhì)過氧化，可以預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化并抑制粥樣斑塊增生。Dugan[4]報(bào)道用羧基化富勒烯治療超氧化歧化酶基因編碼缺失的肌萎縮側(cè)索硬化癥轉(zhuǎn)基因小鼠模型，治療組不僅癥狀比對照組晚出現(xiàn)10天以上，而且生存期增加了8天以上；Ali[5]等人指出有些C60富勒烯衍生物在生物醫(yī)學(xué)上的抗自由基作用似乎跟超氧化歧化酵素(SOD)類似，但作用比SOD優(yōu)越。Takada[6]等人研究發(fā)現(xiàn)C60富勒烯可直接與自由基作用，且捕捉自由基分子的速度明顯比β-胡蘿卜素快很多。

由于富勒烯及其衍生物能夠有效清除生物體內(nèi)氧自由基，而同時(shí)很多疾病包括許多神經(jīng)退行性病變?nèi)缗两鹕?、阿爾茨海默病和肌營養(yǎng)不良性側(cè)索硬化癥（amyotrophielater-al sclerosis，亦名 Lou Gehrig's Disease）的病因與自由基有關(guān)，這為我們開發(fā)新型的藥物提供了很好的思路。實(shí)驗(yàn)證明富勒烯及其衍生物可以有效地減少神經(jīng)元死亡。在醫(yī)學(xué)上,水溶性富勒烯作為常用的一類納米分子顆粒已被用作抗氧化劑[7,8]。

富勒烯清除自由基的性能也被用于化妝品開發(fā)。日本三菱公司[9]已推出"自由基海綿產(chǎn)品"，將富勒烯置入水溶性聚合物中，在皮膚表面使用后能捕獲皮膚因暴露在較強(qiáng)陽光下所產(chǎn)生的自由基，從而使皮膚看上去更光潔健康。

二、富勒烯及其衍生物的抑制生物酶活性和抗HIV病毒作用

最先發(fā)現(xiàn)C60衍生物的生物學(xué)效應(yīng)是它對人免疫缺陷病毒蛋白酶（human immunodeficiency virus protease,HIVP）的抑制作用。Friedman[10]等報(bào)道C60的2-氨基乙基二苯基單琥珀酰亞胺衍生物對HIVP有抑制作用。HIVP對HIV的存活至關(guān)重要，它是一種天冬氨酸蛋白酶，HIV感染后，HIVP裂解一種多聚蛋白質(zhì)，從而激活病毒逆轉(zhuǎn)錄酶，促使病毒增生。抑制HIVP可以終止HIV-I的生命周期。目前認(rèn)為HIVP是抗病毒的主要靶點(diǎn)，HIVP抑制劑在臨床上得到廣泛應(yīng)用。HIVP的活性位點(diǎn)是一個(gè)半開環(huán)的疏水橢圓體孔穴，其表面25位和525位有兩個(gè)天冬氨酸殘基，起催化作用。空穴直徑1nm，和富勒烯的直徑（0.71nm）相似。Friedman[11]等推測，由于C60分子直徑同HIVP活性部位的橢圓體孔穴直徑近似，且C60分子和HIVP活性部位的表面及孔穴內(nèi)腔均為憎水性，它們之間可能會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的疏水相互作用，因此C60及其衍生物有可能堵住HIVP活性中心的孔穴，切斷病毒賴以生存的營養(yǎng)供給，從而抑制其活性，阻止HIV病毒生長。他們利用DOCK3程序建立了C60衍生物和HIVP形成的復(fù)合物的模型，模型計(jì)算表明，兩者復(fù)合物解離常數(shù)為10-6～10-9mol/L。在此基礎(chǔ)上 Sijbesma等[12]人合成了一種稱之為二酰胺基二酸二苯基C60的水溶性化合物，并測得它對HIVP的抑制常數(shù)K為5.3μmol/L。

RU2004/000208[13]發(fā)明一種在治療膜病毒導(dǎo)致的疾病中用于抑制這些病毒活性的基于富勒烯羧基陰離子的藥物，該藥物具有不受限的水溶性、所需生物利用度、對感染細(xì)胞的高效作用和低毒性，開發(fā)了用于治療人免疫缺陷病毒（HIV）、單純皰疹病毒(HSC)和丙型肝炎病毒（HCV）導(dǎo)致的感染性疾病的藥物組合物和方法。

RU2196602[14]提出了在基于氨基酸和富勒烯二肽衍生物的化合物幫助下抑制HIV復(fù)制和CMV感染的方法。富勒烯-一氨基-己酸和富勒烯-一氨基-丁酸的鈉鹽用作富勒烯氨基酸衍生物。

除HIVP外，C60衍生物也可抑制包括半胱氨酸蛋白酶、絲氨酸蛋白酶、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶、谷胱甘肽還原酶和一氧化氮合酶[15]在內(nèi)的其他酶的活性，如HIV逆轉(zhuǎn)錄酶（HIVRT）、C型肝炎病毒RNA 依賴的RNA聚合酶[16]。另外，宋高廣等[17]合成了富勒烯膦酸衍生物--二加成亞甲基富勒烯[60]二膦酸四乙酯（bis-methanophosphonate fullerene BMPF）納米粒，發(fā)現(xiàn)它對Taq DNA聚合酶及DNA外切酶Exo III具有抑制作用，并呈現(xiàn)濃度梯度依賴性，這種抑制作用是直接作用于酶而非體系中的其他物質(zhì)，與活性氧自由基的產(chǎn)生無直接相關(guān)性。n-BMPF作為一種特異性酶學(xué)活性的抑制劑有望在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域存在潛在應(yīng)用前景。楊新林等[18,19]發(fā)現(xiàn)三丙二酸富勒烯（trimalonic acid C60,TMA C60)能抑制M-MuLV逆轉(zhuǎn)錄酶的活性，對DNA限制性內(nèi)切酶Hind III和EcoR I及Taq DNA聚合酶都有抑制作用。

三、光動(dòng)力學(xué)治療及腫瘤治療

血卟啉能敏化產(chǎn)生1O2,1O2具極高反應(yīng)活性，可以殺死癌細(xì)胞。最近美國、日本等國家正式批準(zhǔn)卟啉可以用于臨床。C60產(chǎn)生1O2的效率遠(yuǎn)比卟啉高。C60受光激發(fā)后躍遷到單線態(tài)，隨即返回到三線態(tài)，把能量轉(zhuǎn)移給氧分子，產(chǎn)生單線態(tài)氧(1O2),C60這種通過光誘導(dǎo)產(chǎn)生單重態(tài)氧1O2的效率高達(dá)100%，被喻為"單重態(tài)氧的發(fā)生器"，可用于光動(dòng)力學(xué)治療。

陳滇寶等[20]采用C60Cln/NaOH研磨法制備富勒醇，應(yīng)用富勒醇進(jìn)行人后癌細(xì)胞株Hep-2以及人宮頸癌細(xì)胞株Hela的生長抑制試驗(yàn)，成功地觀察到了光動(dòng)力殺傷和誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡效應(yīng)；用富勒醇處理過的癌細(xì)胞DNA化學(xué)染色強(qiáng)度減弱，死細(xì)胞具有凋亡細(xì)胞的形態(tài)特點(diǎn)，細(xì)胞骨架嚴(yán)重受損，屬于誘導(dǎo)凋亡機(jī)制。

DNA鏈的完整性和連續(xù)性是細(xì)胞正常生長的物質(zhì)基礎(chǔ)。C60可以和ssDNA、dsDNA或帶發(fā)夾結(jié)構(gòu)的dsDNA發(fā)生作用，在光照條件下，DNA鏈上的鳥嘌呤（G）處可發(fā)生選擇性斷裂，C60衍生物的這種作用給腫瘤治療帶來了新的途徑【21】。

中科院納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2004年首次發(fā)現(xiàn)金屬釓內(nèi)包富勒烯Gd@C82(OH)22可以有效地抑制惡性腫瘤在小鼠體內(nèi)的生長[22]。研究發(fā)現(xiàn),具有高效低毒抑制腫瘤生長的Gd@C82(OH)22納米顆粒,可以促進(jìn)對腫瘤耐藥細(xì)胞的內(nèi)吞功能而有效地增加腫瘤細(xì)胞內(nèi)的化療藥物有效致死濃度,通過阻斷DNA遺傳物質(zhì)的復(fù)制進(jìn)一步抑制耐藥腫瘤細(xì)胞的繁殖。金屬富勒烯Gd@C82(OH)22納米顆粒獨(dú)特藥效學(xué)功能研究為惡性腫瘤的有效治療開辟了一條新的治療途徑[23],也為新型納米藥物的研發(fā)和臨床應(yīng)用提供了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

最近,趙宇亮研究組又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)金屬富勒烯Gd@C82(OH)22納米顆?？梢栽诨蚝偷鞍姿酵瑫r(shí)調(diào)控腫瘤血管新生因子的表達(dá),通過抑制腫瘤增殖所必需的新生血管形成而阻斷腫瘤的生長[24]。特異阻斷腫瘤新生血管的形成也為臨床治療具有耐藥性的實(shí)體瘤治療提供了新的研究思路。

四、富勒烯及其衍生物在診療方面的應(yīng)用研究

Wharton等[25]通過六碘丙二肽胺與富勒烯反應(yīng)制成高碘化的C60分子，為血管造影創(chuàng)造了一種全新技術(shù)。這一技術(shù)使得廢除導(dǎo)管注入成為可能。與普通造影劑相比，含碘富勒烯衍生物的球型結(jié)構(gòu)降低了粘度，有利于隨血液快速進(jìn)入組織；由于含有6個(gè)碘原子，藥物的用量將大大降低，減少了過敏等不良反應(yīng)的發(fā)生率。

內(nèi)嵌金屬富勒烯有多優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，使得它們有可能成為新的診斷和治療放射性藥物。作為新的MRI對比試劑，順磁性Gd內(nèi)嵌金屬富勒烯能更為有效地提高馳豫能力，碳籠保護(hù)Gd金屬離子不會(huì)與外界發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而避免了裸露Gd離子的毒性。日本大家公司制藥公司已獲得Gd@C82作為MRI用造影劑的專利。Bolsker,Toth和Xenogiannopoulou等[26]還做了一項(xiàng)關(guān)于"Gd@C60[C(COOCH2CH3)2]10、Gd@C60(OH)X等衍生物的研究工作。作為MRI造影劑，這些化合物溶解性更好，不分布在網(wǎng)狀內(nèi)皮組織，為合成更多的富勒烯為基礎(chǔ)的藥物化合物提供了很好的方向。

李宇國等[27]運(yùn)用放射性核素67Ga標(biāo)記技術(shù)研究了富勒烯衍生物C60(OH）x在小鼠體內(nèi)的分布和代謝。研究結(jié)果表明，標(biāo)記物很快被體內(nèi)各臟器和組織攝取，主要分布在骨髓、骨、肝臟和脾中，不能通過血腦屏障.其分布具有微粒特征，通過皮下或肌肉注射，有望用于淋巴顯像劑或惡性淋巴腫瘤導(dǎo)向治療的藥物載體。

展望

綜上所述，富勒烯及其衍生物在清除游離基、抗艾滋病、抑制酶活性、切割DNA、疾病診療等方面具有獨(dú)特應(yīng)用。但許多問題有待進(jìn)一步深入，如如何改善富勒烯在水性生物體系的溶解性；其次是運(yùn)用分子設(shè)計(jì)的方法，系統(tǒng)地將具特定藥理功能的基團(tuán)加到富勒烯分子上，研究它們的生物活性，代謝和毒性。隨著對富勒烯及其衍生物的進(jìn)一步研究及其在生物化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、藥物學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用，富勒烯及其衍生物將向人們展示其獨(dú)有的和重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和社會(huì)效益。

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