納米碳纖維在腫瘤治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展

劉樹森，李素英，劉 蓉

(南通大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 南通 226000 )

自從1991年日本研究員I. SUMIO[1]合成了中空碳納米材料并檢測了其晶體結(jié)構(gòu)，首次提出并命名“碳納米管”(CNTs)以來，碳基納米材料的研究開始引起人們的廣泛關(guān)注[2]。納米碳纖維(CNFs)是在一定條件下催化裂解氣相碳?xì)浠衔镏苽涑傻姆沁B續(xù)石墨纖維，介于石墨和球碳之間的材料，由納米尺寸的石墨片層在空間與纖維的軸向成不同角度堆積而成[3-4]。

CNFs和CNTs都是一維碳納米材料，具有納米體系小尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，宏觀量子尺寸隧道效應(yīng)的基本特性[5]，二者區(qū)別在于不同的石墨化程度。CNTs是由單層或多層石墨烯薄膜卷曲而成具有空心結(jié)構(gòu)的碳納米材料，石墨化程度高，石墨片層定向平行于管軸排列；CNFs相對(duì)石墨化程度較低或者沒有石墨化的結(jié)構(gòu)，石墨片層排列雜亂無章，存在實(shí)心或空心結(jié)構(gòu)，較低的石墨化程度使CNFs更易進(jìn)行表面修飾。盡管CNFs在結(jié)構(gòu)上不如CNTs完美，但相關(guān)研究證明[6-7]，CNFs表現(xiàn)出較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)化能力，表面易修飾且其制備提純工藝簡單。CNFs在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有較好的前景。

作者主要介紹了CNFs的表面功能化改性，了解CNFs在生物醫(yī)療領(lǐng)域用于腫瘤治療中的應(yīng)用和發(fā)展。

1 CNFs的表面功能化改性

CNFs尺寸小，與許多基本生物分子之間尺寸相近，可以很好地與生命體相互作用，且CNFs的比表面積大、光學(xué)性能獨(dú)特，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但正因?yàn)槠湫〕叽缧?yīng)，使納米粒子間范德華力大，容易團(tuán)聚，難在溶劑中分散，因此要將CNFs應(yīng)用在生物領(lǐng)域，需要對(duì)其進(jìn)行表面功能化改性，改善其分散性和生物相容性。常用的方法有非共價(jià)表面功能化和共價(jià)表面功能化改性。

1.1 非共價(jià)表面功能化改性

非共價(jià)表面功能化是指通過物理吸附將大分子或者聚合物包覆在CNFs表面，這種改性方法對(duì)碳納米材料的結(jié)構(gòu)損傷和固有性能的干擾最小。非共價(jià)功能化可以保留CNFs中由sp2石墨碳原子組成的原始蜂窩狀結(jié)構(gòu)，利用靜電吸引，π-π鍵的結(jié)合及疏水和親水作用等在CNFs表面吸附，缺點(diǎn)是非共價(jià)之間的作用力相對(duì)較弱，修飾過的CNFs穩(wěn)定性差[8-9]。目前，CNFs主要以表面包覆活性劑[10-11]、脫氧核糖核酸(DNA)[12-15]、蛋白質(zhì)[16-17]甚至是病毒[18]等方式實(shí)現(xiàn)表面功能化。吳波[19]在探究碳纖維界面性質(zhì)與其分散行為的關(guān)系時(shí)，分別選用了脂肪醇聚氧乙烯醚磷酸、季銨鹽和脂肪醇聚氧乙烯醚3種不同類型的表面活性劑對(duì)CNFs進(jìn)行預(yù)處理，并找出了每種表面活性劑的最佳濃度。經(jīng)處理后CNFs表面羥基和C—O—C基團(tuán)有大幅度的增加，表明CNFs表面的活性基團(tuán)被處理劑基團(tuán)覆蓋。王寶民等[20-21]分別證明了以甲基纖維素和十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為分散劑可有效地提高CNFs的水溶性。

1.2 共價(jià)表面功能化

共價(jià)表面功能化主要是通過共價(jià)鍵接枝的方式將一些基團(tuán)引入碳納米材料結(jié)構(gòu)中，從而增加其水溶性。此外，引入的官能團(tuán)還可以提供與其他功能分子進(jìn)一步結(jié)合的機(jī)會(huì)，從而進(jìn)一步改善材料的分散性或賦予某種新的功能。相比于同維度石墨烯片層完美、惰性較強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高的CNTs,CNFs沒有高度石墨化的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，纖維表面含有一種或多種官能團(tuán)，如羥基、羧基及其他官能團(tuán)，本質(zhì)上具有了一定的水溶性，更容易進(jìn)行共價(jià)表面功能化。采用一種或多種氧化劑[22-24](硫酸、硝酸、高錳酸鉀等)對(duì)CNFs進(jìn)行共價(jià)表面功能化是目前CNFs普遍采用的方式。S.G.KIM等[25]通過濃硝酸和硫酸對(duì)多孔納米碳纖維(MCNFs)進(jìn)行了預(yù)處理，并研究了氧化的時(shí)間對(duì)MCNFs表面的影響，其X射線光電子能譜(XPS)結(jié)果顯示隨著氧化時(shí)間的增加，羰基含量逐漸增加；但當(dāng)氧化時(shí)間超過12 h，過度酸化的MCNFs會(huì)出現(xiàn)孔道坍塌。通過掃描電鏡(SEM)發(fā)現(xiàn)[26-27]，采用不同濃度的硝酸處理CNFs后，纖維表面變得粗糙，且硝酸濃度越高表面粗糙的越明顯。這表明硝酸刻蝕了CNFs表面，增大了纖維的比表面積。

采用一種或多種強(qiáng)氧化劑的功能改性方法在CNFs表面引入活性基團(tuán)的同時(shí)會(huì)對(duì)CNFs表面造成刻蝕，破壞CNFs的結(jié)構(gòu)特征，從而影響CNFs的性能。法國科學(xué)家Fenton發(fā)現(xiàn)的Fenton氧化法[28]既可減少氧化劑對(duì)CNFs原有特征的破壞，又能實(shí)現(xiàn)其表面共價(jià)功能化。具體方法是在酸性條件下，雙氧水經(jīng)Fe2+的催化作用產(chǎn)生羥基自由基，這種氧化劑主要用于處理難降解的有機(jī)污染方面。劉超[29]采用Fenton試劑法，使雙氧水在催化劑Fe2+/Fe3+的存在下分解成具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基，然后在CNFs表面引入羥基、羧基等功能基團(tuán)，提高了CNFs在水中的分散性，整個(gè)過程對(duì)CNFs的實(shí)際損傷較輕。

為了進(jìn)一步提高碳納米材料的分散性，可以將氧化后的材料與高分子聚合物進(jìn)行接枝反應(yīng)，如將酸化的多壁納米碳管(MWCNTs-COOH)與端基是氨基的聚乙二醇(PEG)接枝共聚[30]，或者先用亞硫酰氯先活化管壁上的羧基，得到更加活潑的酰氯基團(tuán)，方便與其他基團(tuán)反應(yīng)[31]。

2 CNFs在腫瘤治療中的應(yīng)用

2.1 毒性

任何用于生物體的外來材料都需要經(jīng)過體外細(xì)胞毒性、體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)和毒理學(xué)等嚴(yán)格的生化標(biāo)準(zhǔn)的檢測，以此來說明該物質(zhì)的生物相容性。目前，納米碳材料在生物醫(yī)學(xué)方面的研究主要集中在再生、輔助腫瘤治療和抗病毒等方面，相關(guān)的毒性研究尤其是石墨烯[32-33]，CNTs[34]等的毒性數(shù)據(jù)庫日趨完善，在精確控制濃度的情況下，納米碳材料具有很高的細(xì)胞學(xué)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的潛力[35]。

對(duì)于碳基納米材料，體內(nèi)和體外毒性很大程度上取決于形狀、大小和表面功能化。C.GRABINSKI等[36]分別對(duì)原始碳纖維、CNFs、單壁納米碳管(SWCNTs)和多壁納米碳管(MWCNTs)做了細(xì)胞毒性測試分析，結(jié)果顯示CNFs表現(xiàn)出輕微的毒性，細(xì)胞形態(tài)較對(duì)照組沒有變化；原始碳纖維表面的細(xì)胞有明顯的形態(tài)學(xué)變化，細(xì)胞具有一定的存活率；在暴露24 h后，CNFs表現(xiàn)出的細(xì)胞毒性較低，而SWCNTs和MWCNTs的毒性水平相似，這表明維度可能在一定程度上起到毒性作用，但是一旦維度低于某一點(diǎn)，其他因素對(duì)細(xì)胞活力的影響就更大，如材料的表面能，長徑比等。D.NASKAR等[37]對(duì)CNFs采用了非共價(jià)表面活性劑進(jìn)行功能化處理，并進(jìn)一步地通過溶血實(shí)驗(yàn)、噻唑藍(lán)毒性實(shí)驗(yàn)、免疫反應(yīng)、基因表達(dá)及體內(nèi)實(shí)驗(yàn)包括觀察45 d和90 d的骨組織生長，以及對(duì)排泄器官即腎臟和肝臟進(jìn)行組織學(xué)評(píng)估等，檢測結(jié)果顯示以CNFs為基本材料的3D復(fù)合支架具有良好的生物相容性，能夠支持體外和體內(nèi)的骨再生，但會(huì)有輕微炎癥反應(yīng)。表面功能化能夠降低細(xì)胞毒性，這是因?yàn)楸砻婀δ芑奶技{米材料可以顯示出類似的細(xì)胞融合、黏附和形態(tài)，因此不會(huì)引起明顯毒性。YAN X B等[38]也以CTAB作為SWCNTs與寡核苷酸之間的交聯(lián)劑用于生物傳感，實(shí)驗(yàn)表明被CTAB包被的SWCNTs毒性比SWCNTs小，而且其細(xì)胞毒性取決于CTAB的濃度。

2.2 光熱轉(zhuǎn)化劑

光熱療法(PTT)是除了傳統(tǒng)的外科手術(shù)治療、放射治療和化學(xué)治療外常用的輔助抗癌的一種治療手段，具體為向體內(nèi)注射具有光熱轉(zhuǎn)化性能的試劑，在近紅外(NIR)的照射下，利用溫度差殺死腫瘤細(xì)胞[39]。PTT的光照空間和功率強(qiáng)度均為可控，有效地降低了全身毒性。無機(jī)碳納米材料與貴金屬納米材料表面一樣具有等離子共振(SPR)效應(yīng)，在NIR區(qū)有明顯的吸收，而生物體對(duì)這個(gè)區(qū)域不敏感，吸收較少，所以NIR可以輕易地穿透生物組織。以同為一維碳納米材料的CNTs為例，J.T.ROBINSON等[40]用聚乙二醇化磷脂(PEG衍生物)功能化的CNTs(PEG-SWNTs)結(jié)合NIR照射治療小鼠，180 d后小鼠體內(nèi)腫瘤完全消除且未表現(xiàn)出任何毒副作用，H.K.MOON等在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了注射的SWCNTs在60 d內(nèi)可以通過各種排泄方式排出體外[41]。作為第二代光熱試劑，納米碳材料用于腫瘤治療已有較為深入的研究，而多級(jí)CNFs也不斷地在發(fā)展，現(xiàn)應(yīng)用較多的是用于運(yùn)輸載體。

2.3 藥物運(yùn)輸

給藥系統(tǒng)可用來提高藥物的治療效果和安全性，選擇合適的輸送載體需結(jié)合具體的應(yīng)用要求，如基因傳送，主要有病毒載體系統(tǒng)和非病毒載體系統(tǒng)兩大體系[42-44]。病毒載體基因傳遞效率高，但存在潛在安全性；非病毒載體有脂質(zhì)體、DNA，其釋放能力強(qiáng)但在傳送的過程中易被細(xì)胞自噬。納米材料擁有與生物分子類似的維度，具有傳遞藥物或生物活性分子的能力，近年來得到了廣泛研究。CNFs包括實(shí)心CNFs、中空CNFs，MCNFs和中空MCNFs，既可以作為光熱試劑實(shí)現(xiàn)腫瘤的消融，也可以作為藥物載體，實(shí)現(xiàn)光熱治療與其他療法協(xié)同治療，提高腫瘤治療效率。如DAI J M等[6-7]以聚丙烯腈(PAN)為基材，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為制孔劑，采用靜電紡絲技術(shù)制備MCNFs，負(fù)載鹽酸多柔比星(DOX)用于抑制腫瘤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示多孔的結(jié)構(gòu)不僅增大了CNFs的比表面積，而且有利于藥物的吸附，載藥的MCNFs抗腫瘤效果明顯。ZHANG M等[45]以MWCNTs負(fù)載DOX實(shí)現(xiàn)了光熱治療與化學(xué)治療協(xié)同治療。ZHOU F等[46]以糖基化的殼聚糖(GC)為免疫劑修飾SWNTs，SWNTs-GC系統(tǒng)保留了SWNTs獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，且具有GC的免疫功能。SWNTs-GC系統(tǒng)在980 nm激光的照射下完成了光熱治療與免疫效應(yīng)，起到了破壞腫瘤細(xì)胞的協(xié)同作用。WANG L等[47]利用碳納米材料的這一特性負(fù)載小干擾核糖核酸(siRNA)，待藥物到達(dá)腫瘤部位經(jīng)激光照射SWNTs產(chǎn)熱并促進(jìn)釋放siRNA，促使細(xì)胞凋亡，具有對(duì)腫瘤細(xì)胞明顯抑制作用，實(shí)現(xiàn)了基因治療與光熱治療的協(xié)同作用。

腫瘤的藥物輸送是通過瘤內(nèi)注射或靜脈注射兩種手段將藥物被動(dòng)或主動(dòng)地送到目標(biāo)器官或組織的過程，而靜脈注射的操作手段更能夠減輕患者的痛苦，所以藥物的靶向運(yùn)輸則顯得很重要。腫瘤的靶向治療是在細(xì)胞分子水平上，根據(jù)癌變細(xì)胞上過度表達(dá)的受體，針對(duì)性的設(shè)計(jì)治療劑上攜帶的配體，將藥物主動(dòng)輸送到腫瘤部位，盡量減少了藥物對(duì)健康組織器官的副作用，常用作靶向配體的有葉酸、基因、蛋白等。ZHU X等[48]制備的葉酸介導(dǎo)西紫杉醇負(fù)載氧化單壁碳納米管(FA-DTX-OSWNT-SLN)光熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)CNTs能夠有效地跨越細(xì)胞膜抑制腫瘤細(xì)胞，在808 nm近紅外激光的照射下增強(qiáng)癌細(xì)胞抑制作用。E.G.GRAMHAM等[49]成功用葉酸功能化MWCNTs治療結(jié)腸直腸癌，且比非靶向的MWCNTs治療效率高出4～5倍。WANG C等[50]采用PEG功能化的SWNTs聯(lián)合細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4(CTLA-4)治療腫瘤，其中CTLA-4可識(shí)別并阻滯原發(fā)性腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。L. F. F. NEVES等[51]利用膜聯(lián)蛋白V(AV)與細(xì)胞膜表面的陰離子磷脂特異性結(jié)合的特性，以SWNTs為載體用于治療乳腺腫瘤，并證實(shí)了該方法有效且副作用小。

2.4 熒光成像

CNFs較高的孔隙率和比表面積除了可以作為光熱試劑及轉(zhuǎn)載藥物進(jìn)行腫瘤治療，還具有造影劑的能力，為腫瘤體內(nèi)診療一體化、協(xié)同治療提供了可能。隨著藥物傳遞特性的出現(xiàn)，關(guān)于轉(zhuǎn)載熒光分子的研究越來越多。近年來，研究者已先后發(fā)現(xiàn)了富勒烯、石墨烯、碳量子點(diǎn)及CNTs的熒光效應(yīng)。P.CHERUKURI等[52]在研究CNTs對(duì)生物體影響時(shí)發(fā)現(xiàn)吞噬細(xì)胞可主動(dòng)吞噬CNTs且沒有細(xì)胞毒性，當(dāng)激光的照射波長大于1 100 nm時(shí)，吞噬細(xì)胞攝取的CNTs可以保持熒光顯微成像。CNTs的分散性、溶液的pH值、激光的強(qiáng)度、照射波長等對(duì)熒光效應(yīng)具有一定的影響。CNTs越聚集，溶液酸化程度越高，CNTs的熒光強(qiáng)度就會(huì)越低，諸如濃硫酸、濃硝酸這類強(qiáng)氧化劑能共價(jià)修飾CNFs表面的同時(shí)會(huì)降低熒光量子率的產(chǎn)生，但適當(dāng)?shù)募尤氡砻婊钚詣┛梢垣@得較高的熒光量子產(chǎn)率。在探究納米熒光強(qiáng)度與激光激發(fā)強(qiáng)度的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩者并不呈線性關(guān)系，具體還有待進(jìn)一步的研究[53]。如YANG C Y等[54]的實(shí)驗(yàn)表明合成的摻氮碳點(diǎn)，不僅可以通過高效的光熱轉(zhuǎn)換性能殺死癌細(xì)胞，其在體內(nèi)的熒光成像和光聲成像的雙模成像在治療腫瘤方面也顯示出了很大的潛力。這是因?yàn)樘技{米材料在NIR-I窗口(700～1 100 nm)能將吸收的光子能量轉(zhuǎn)化成熱能，是非常理想的光熱轉(zhuǎn)化試劑；在NIR-II窗口(1 100～1 700 nm)吸收光子能量進(jìn)行熒光發(fā)射。而NIR-I窗口和NIR-II窗口都是“生物透明窗”，生物體在這兩段波長的吸收低、散射小、自熒光小[55]。這些特點(diǎn)都使CNFs作為熒光成像劑成為可能。

3 結(jié)語

CNFs因其類CNTs的特性有望在腫瘤抑制領(lǐng)域成為繼CNTs和石墨烯后理想的納米載體，進(jìn)行光熱治療和藥物運(yùn)輸。CNFs和CNTs最大的區(qū)別是石墨化程度，正是由于這樣的缺陷結(jié)構(gòu)使得CNFs更易修飾。CNTs的制備過程一般需要過渡金屬催化劑，若用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域需要進(jìn)行復(fù)雜的純化過程，大大提高了生產(chǎn)成本；而CNFs的制備采用靜電紡絲技術(shù)，具有操作簡單、成本較低、產(chǎn)品純度高等特點(diǎn)。雖然現(xiàn)今有關(guān)CNFs在腫瘤治療方面的報(bào)道較少，但已有的研究成果顯示CNFs光熱轉(zhuǎn)化效率高，可以吸收光子選擇性的破壞細(xì)胞，使腫瘤細(xì)胞凋亡；且CNFs的細(xì)胞毒性在安全范圍內(nèi)，表面功能化后毒性降低，生物相容性提高；中空MCNFs極高的孔隙率和比表面積具備轉(zhuǎn)載藥物和成像造影劑的能力等，為體內(nèi)診療一體化、協(xié)同治療提供了可能。以上均證明了CNFs作為治療藥物的潛力。但目前CNFs用于抑制腫瘤尚處于研究階段，離臨床實(shí)踐的要求相距甚遠(yuǎn)，還有許多問題亟待解決：(1)CNFs的“亂層石墨結(jié)構(gòu)”使其性能沒有CNTs和石墨烯穩(wěn)定；(2)沒有完善的藥代動(dòng)力學(xué)和毒理學(xué)數(shù)據(jù)庫，如CNFs高的長徑比，由于高滲透長滯留效應(yīng)(EPR滯留效應(yīng))會(huì)使得半衰期延長，在體內(nèi)滯留的時(shí)間延長，從而可能引起人體毒性；(3)沒有完整的表面功能化和鈍化的方法庫，雖然已有少數(shù)報(bào)道證明CNFs經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋砻婀δ芑拘越档停詻]有具體的數(shù)據(jù)支持。