碳納米材料用于抗腫瘤藥物遞送的研究進(jìn)展

張琦潤(rùn)(墨爾本大學(xué)，澳大利亞 帕克維爾 3010)

0 引言

臨床上出現(xiàn)惡性腫瘤疾病的幾率越來(lái)越高，這對(duì)身體健康造成極大威脅。而就目前來(lái)說(shuō)，惡性腫瘤治療的有效方法主要是手術(shù)、放療和化療三種方法，其中化療[1]應(yīng)用普遍，是使用對(duì)癥的化療藥物進(jìn)行疾病治療。但一般患者都需要長(zhǎng)期用藥，而且很多藥物存在突出的不良反應(yīng)問(wèn)題，療效并不樂(lè)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(shù)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(zhì)量輕、理化性質(zhì)穩(wěn)定、生物相容性好、細(xì)胞穿透力強(qiáng)、易于修飾等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)藥領(lǐng)域尤其是用于抗腫瘤藥物遞送載體方面的研究備受關(guān)注，同時(shí)此方面的研究也取得了一定成果。本文就針對(duì)碳納米材料用于抗腫瘤藥物遞送的研究進(jìn)展進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)論述。

1 碳納米材料簡(jiǎn)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(lái)，碳納米技術(shù)逐漸成為一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。2000年美國(guó)與德國(guó)科學(xué)家制備出由20個(gè)碳原子組成的空心籠狀分子結(jié)構(gòu)，依照相關(guān)理論推算，包括20個(gè)碳原子僅僅是由正五邊形所構(gòu)成，C60分子是富勒烯式結(jié)構(gòu)分子中最小的一種結(jié)構(gòu)，基于原子間結(jié)合力度和角度等方面的考慮，認(rèn)為該分子十分不穩(wěn)定，很難存在，但美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家制出C60籠狀分子，使得材料學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)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(duì)良好的化學(xué)與物理特性，在眾多領(lǐng)域中都具有廣泛的應(yīng)用。

2 碳納米藥物載體的優(yōu)點(diǎn)

從人體生理學(xué)與組織學(xué)角度進(jìn)行分析，惡性腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞存在顯著差異。惡性腫瘤細(xì)胞屬于一種變異的細(xì)胞，可以無(wú)限增殖，破壞正常細(xì)胞結(jié)構(gòu)[4]；還可以轉(zhuǎn)化成其他細(xì)胞，而且容易轉(zhuǎn)移，使得病變部位擴(kuò)散。腫瘤部位的毛細(xì)血管管壁上一般存在著很多孔徑在數(shù)百納米的孔洞，影響著結(jié)構(gòu)的完整性。同時(shí)，因?yàn)閻盒阅[瘤細(xì)胞可能會(huì)局部侵入周圍的其他正常組織，或經(jīng)過(guò)淋巴系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到其他部位，所以淋巴系統(tǒng)一般都被破壞，這導(dǎo)致很多大分子物質(zhì)不能正常通過(guò)淋巴系統(tǒng)返回到血液循環(huán)系統(tǒng)中，從而在腫瘤組織內(nèi)部出現(xiàn)大量的滯留和聚集，進(jìn)而誘發(fā)病變，甚至出現(xiàn)擴(kuò)散趨勢(shì)。碳納米材料正是借助這個(gè)原理實(shí)現(xiàn)在腫瘤部位的大量積聚，從而成為抗腫瘤藥物的遞送系統(tǒng)。和過(guò)去使用的藥物載體對(duì)比，碳納米材料具備多重優(yōu)勢(shì)，比如：化學(xué)性能穩(wěn)定、原材料成本低、比表面積大、活性較高、藥物吸附性較強(qiáng)等[5]，碳納米材料也可以進(jìn)行功能化的修飾，支持實(shí)現(xiàn)腫瘤部位的靶向給藥，增加藥物治療的靶向性，強(qiáng)化療效。同時(shí)這種靶向給藥方式可以減少用藥劑量，繼而減少不良反應(yīng)的發(fā)生，保證用藥的安全性[6]。

3 碳納米藥物載體的分類與開(kāi)發(fā)

3.1 氧化石墨烯(GO)

GO是一種二維蜂窩狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，由單層碳原子以sp2雜化方式形成。選擇石墨作為原料，進(jìn)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(jī)體生理環(huán)境中可能會(huì)出現(xiàn)聚集沉降問(wèn)題，增加了毒性，也影響到作為藥物載體的應(yīng)用，所以需要對(duì)GO進(jìn)行修飾。一般選擇表面改性的方式進(jìn)行功能化修飾，這樣可以提高其在生理環(huán)境中的穩(wěn)定性。具體修飾方法有共價(jià)、非共價(jià)兩種，前者是一種原子摻雜方式，會(huì)破壞GO的不飽和結(jié)構(gòu)，而后者是一種氫鍵和范德華力的形式，不會(huì)破壞GO的結(jié)構(gòu)。在進(jìn)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(lián)衍生物(具備主動(dòng)靶向性)穩(wěn)定GO，其中，IR820-LA結(jié)構(gòu)中存在芳香基團(tuán)，可以與GO的平面結(jié)合，使其形成載藥體系，產(chǎn)生熒光成像和化學(xué)及光熱治療能力，而且這種能力具備主動(dòng)靶向性。經(jīng)過(guò)臨床試驗(yàn)表明，這種方法形成的試劑擁有良好的化學(xué)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(xué)的異構(gòu)化、偶聯(lián)和縮合反應(yīng)等原理，在天然丁香酚D1的基礎(chǔ)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(tuán)偶聯(lián)，產(chǎn)生的復(fù)合體能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞內(nèi)的鈣離子釋放工作，使得相關(guān)細(xì)胞出現(xiàn)凋亡，進(jìn)而產(chǎn)生抗腫瘤效果[8]。

3.2 碳富勒烯(CFs)

CFs是一種籠狀熔合環(huán)結(jié)構(gòu)，屬于碳同素異形體，其結(jié)構(gòu)對(duì)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(jìn)行功能化修飾，然后選擇生物大分子進(jìn)行偶聯(lián)，形成的復(fù)合物就能具備較好的溶解度以及生物活性，可以發(fā)揮藥物載體作用。從目前的實(shí)踐工作來(lái)看，CFs可承載大部分的化療藥物，并可以增強(qiáng)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(fā)現(xiàn)其用于治療多發(fā)性膠質(zhì)母細(xì)胞瘤時(shí)有良好效果，因?yàn)檫@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(jìn)行改性，制作成順磁性碳富勒烯(CFs@CTAF)，然后選擇透明質(zhì)酸作為底物，形成的衍生物與CFs@CTAF組裝，得到的最終產(chǎn)物可以用于承載模型藥DOX，同時(shí)評(píng)估了其對(duì)于HepG2細(xì)胞的抑制活性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在這個(gè)復(fù)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(shí)，復(fù)合體承載藥物組別的細(xì)胞存活率只有41.94%，而另一組的高達(dá)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(wú)縫、中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)，形成原理與GO相似。按照石墨烯片層數(shù)的不同，可以分為單壁(SWCNTs)、多壁(MWCNTs)兩種形式。單壁的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，而多壁的結(jié)構(gòu)不太穩(wěn)定，存在缺陷。CNTs要想作為藥物載體，需要先進(jìn)行功能化修飾，也分為共價(jià)、非共價(jià)兩種方式。經(jīng)過(guò)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(lǐng)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(jīng)過(guò)甘露糖修飾的Man-MWCNTs表面，形成的復(fù)合物使用到機(jī)體中，可以提高樹(shù)突狀細(xì)胞的成熟率[10]，從而進(jìn)一步發(fā)揮OVA誘導(dǎo)樹(shù)突狀細(xì)胞成熟的作用，刺激其釋放細(xì)胞因子，發(fā)揮腫瘤免疫治療作用的功能。有研究人員選擇PSE偶聯(lián)到PEG化SWCNTs表面，然后與TRAIL或Apo2L相互鍵合，得到的復(fù)合物可以依托特異性與腫瘤細(xì)胞表面受體相結(jié)合，誘導(dǎo)其凋亡，但不損害正常細(xì)胞，與單獨(dú)使用TRAIL的效果進(jìn)行對(duì)比，處理后復(fù)合物的誘導(dǎo)效率增強(qiáng)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(qū)域(780～2 526 nm)的吸收峰較好，經(jīng)過(guò)持續(xù)照射之后，可以將光能轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)會(huì)被改變，繼而釋放出承載的藥物，實(shí)現(xiàn)光熱療和化療相結(jié)合的功效。比如有研究人員選擇808 nm的近紅外光持續(xù)照射已經(jīng)注射過(guò)PEG-SWCNTs的荷瘤小鼠腫瘤部位，產(chǎn)生的光熱治療效果較好，可以完全破壞其腫瘤細(xì)胞，并使患病小鼠的平均預(yù)期壽命增加一倍。

3.4 碳點(diǎn)(CDs)

CDs是一種碳六元環(huán)蜂窩狀的片層結(jié)構(gòu)，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(yōu)勢(shì)在于粒徑小、透過(guò)性好、生物安全性高等，所以可以使用負(fù)載抗腫瘤藥的生物大分子進(jìn)行修飾，建立起相關(guān)的藥物載體體系。CDs目前被廣泛應(yīng)用在藥物遞送、熒光成像等領(lǐng)域。有研究人員提出“接枝”法，選擇M-HPG殼包覆CDs，所形成的復(fù)合物有著良好的水溶性、低生物毒性，而且熒光顯象表現(xiàn)出強(qiáng)藍(lán)色，其在藥物遞送和生物成像領(lǐng)域的應(yīng)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(fù)載華蟾蜍精的脂質(zhì)體進(jìn)行包裹，形成的復(fù)合物具有親油性特點(diǎn)。臨床研究表明，它可以顯著提高CDs的光致發(fā)光強(qiáng)度，同時(shí)也具備體內(nèi)生物成像功能[12]，用于藥物載體具備持續(xù)釋放藥物、抗腫瘤效果好、不良反應(yīng)少等優(yōu)勢(shì)。

3.5 納米金剛石(NDs)

NDs屬于納米級(jí)金剛石微粉，同時(shí)擁有納米材料和金剛石材料的優(yōu)點(diǎn)，粒度極小，基本上是球形或橢球形。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，NDs的吸引力巨大，社會(huì)關(guān)注熱度也非常高，應(yīng)用前景十分廣闊。對(duì)NDs進(jìn)行功能化修飾后得到的復(fù)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(duì)NDs進(jìn)行羧基化，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)獲得的復(fù)合物可以抑制HepG2細(xì)胞的遷移活動(dòng)，進(jìn)行PCR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)可以影響到細(xì)胞遷移相關(guān)基因mRNA的表達(dá)水平，所以也能夠調(diào)節(jié)細(xì)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(fù)合物經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)可以提高NDs的擴(kuò)散速率，也增加了光致發(fā)光強(qiáng)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(jié)合，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物的活性顯著提高，經(jīng)試驗(yàn)顯示，復(fù)合物的存在不影響雞胚發(fā)育，并可以提高HepG2細(xì)胞的凋亡率，具備較好的抗腫瘤應(yīng)用價(jià)值[14]。

4 碳納米材料應(yīng)用展望

碳納米材料憑借其自身的特點(diǎn)，在腫瘤藥物遞送及其治療中具有十分廣闊的發(fā)展空間。從光學(xué)發(fā)展上來(lái)看，CNTs具有比較強(qiáng)的吸收光強(qiáng)特點(diǎn)，這使其在腫瘤成像和藥物追蹤檢測(cè)中發(fā)揮更加顯著作用。從載藥發(fā)展上來(lái)看，相較于GO，CNTs存在更大的管腔結(jié)構(gòu)，加之封堵技術(shù)的有效應(yīng)用，不但可以明顯加大比表面積，獲取更高的藥物載量，同時(shí)可以保證藥物的緩釋和控釋過(guò)程得以有效實(shí)現(xiàn)。

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(jiān)控提供了一種新型且有效的方式，逐漸變?yōu)榱私陙?lái)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)，然而碳納米材料在具體應(yīng)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(xué)者提出“物理?yè)p傷是納米毒性的根源”，該學(xué)說(shuō)認(rèn)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(yīng)的載體。盡管碳素材料可以使得載體相應(yīng)的細(xì)胞毒性有所減小，然而沒(méi)有經(jīng)過(guò)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(duì)較差，在進(jìn)入人體后會(huì)產(chǎn)生比較顯著的細(xì)胞毒性，并會(huì)造成一定的細(xì)胞損傷。當(dāng)前，針對(duì)碳納米材料的相關(guān)研究，均停留于分子水平、細(xì)胞水平，或是整體動(dòng)物水平上，針對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生的長(zhǎng)期毒性和不良反應(yīng)方面的研究依舊不是十分深入，存在著材料對(duì)人體和機(jī)體中所產(chǎn)生物質(zhì)相容性、機(jī)體中藥物動(dòng)力學(xué)很難得到控制、使用劑量把握不準(zhǔn)和給藥途徑不明等眾多方面的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)此也很難尋找到明確的證據(jù)予以相應(yīng)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(fā)揮。此外，也需要制定相關(guān)的國(guó)際性監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和可靠的方法，用以評(píng)估碳納米材料載藥所具有的安全性。

(2)放大生產(chǎn)。在載藥方面，碳納米材料的相關(guān)研究報(bào)道多數(shù)都限制于實(shí)驗(yàn)室研究，在大規(guī)模生產(chǎn)需要使用的設(shè)備、質(zhì)量控制和成本控制等眾多方面的研究相對(duì)較少。在進(jìn)行工藝放大時(shí)，碳納米載藥材料的加工工藝相對(duì)較難控制，同時(shí)具有較差的重現(xiàn)性，很難采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單方式進(jìn)行生產(chǎn)和檢驗(yàn)。

(3)生物屏障。在腫瘤細(xì)胞中，具有會(huì)對(duì)碳納米載藥粒子積累產(chǎn)生抑制作用的相應(yīng)生物屏障，這樣便會(huì)導(dǎo)致碳納米載藥粒子很難深入到腫瘤細(xì)胞內(nèi)，或是容易被人體吞噬細(xì)胞攝取，而并非作用于腫瘤細(xì)胞。另外，人體中也存在很多會(huì)對(duì)碳納米顆粒分布狀況和消除造成影響的相應(yīng)生理屏障，例如血-腦脊液屏障與腎系統(tǒng)等。經(jīng)過(guò)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(huì)對(duì)其表面形成覆蓋，產(chǎn)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(dǎo)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(shí)際效果也會(huì)有所減弱。

5 結(jié)語(yǔ)

從醫(yī)學(xué)臨床上分析，碳納米材料的應(yīng)用已成為抗腫瘤藥物遞送載體研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。形成的碳納米藥物可以減少毒性，增強(qiáng)藥效，經(jīng)過(guò)表面修飾之后能夠獲得多種功能，同時(shí)載藥之后粒徑增加，大大提高了生物安全性，應(yīng)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(yōu)勢(shì)，還需要進(jìn)一步研究以選擇最佳的材料或者開(kāi)發(fā)性能更好的材料，推動(dòng)抗腫瘤事業(yè)的發(fā)展，提高臨床抗腫瘤治療的有效性和安全性。