石墨烯族納米材料的醫(yī)藥學(xué)特性及其對(duì)間充質(zhì)干細(xì)胞增殖和成骨分化影響的研究進(jìn)展

魏子媛 張曉東 何 軍 劉丹陽(yáng) 王 洋 沈 雷

齊齊哈爾醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)科研中心，黑龍江齊齊哈爾 161006

骨損傷問(wèn)題在世界范圍內(nèi)變得日益嚴(yán)重[1]。目前，臨床將骨移植手術(shù)視為骨損傷修復(fù)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但這種療法存在很大局限性如：異體骨移植可能會(huì)造成免疫排斥反應(yīng)，自體骨移植可能會(huì)造成二次傷害。骨組織工程將材料科學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合來(lái)修復(fù)骨損傷避免了“金標(biāo)準(zhǔn)”局限性。石墨烯族納米材料（graphene family nanomaterials，GFNs）聯(lián)合間充質(zhì)干細(xì)胞（mesenchymal stem cell，MSC）是促進(jìn)骨損傷修復(fù)的新技術(shù)[2-3]，但是其分子機(jī)制并不清晰。研究發(fā)現(xiàn)，GFNs可促進(jìn)MSC 增殖或成骨分化[4-5]，但也有研究認(rèn)為長(zhǎng)時(shí)間接觸GFNs 可能抑制細(xì)胞增殖或成骨分化過(guò)程[6]。目前相關(guān)研究多集中在探究正面效應(yīng)，即GFNs 可促進(jìn)MSC 增殖和成骨分化，但鮮有研究探索負(fù)面效應(yīng)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，為安全地使用GFNs，本文首先綜述GFNs 優(yōu)越的醫(yī)藥學(xué)特性，隨后綜述GFNs 對(duì)MSC 增殖和成骨分化的影響，為骨組織工程提供理論依據(jù)以期充分發(fā)揮GFNs 的積極效應(yīng)避免消極影響，從而能夠指導(dǎo)更好地促進(jìn)骨損傷修復(fù)。

1 GFNs 的醫(yī)藥學(xué)特性

石墨烯是碳的同素異形體，未經(jīng)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(diǎn)（graphene quantum dots，GQD）、氧化石墨烯量子點(diǎn)（graphene oxide quantum dots，GOQD）、氧化還原石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）等GFNs 具有優(yōu)越的醫(yī)藥學(xué)特性，使其在醫(yī)學(xué)和藥學(xué)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)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(jī)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(gè)組織工程領(lǐng)域，促進(jìn)了骨[7-10]、皮膚[11-12]、神經(jīng)[13-15]等組織的修復(fù)和再生。利用水凝膠、靜電紡絲、3D 打印等技術(shù)制備GFNs 改性聚合物，從而獲得富含GFNs 的納米生物復(fù)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(xué)特性。

1.2 抗菌抑菌

GFNs 可通過(guò)吞噬作用進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部或在細(xì)菌周圍形成物理性隔斷而營(yíng)造出營(yíng)養(yǎng)缺陷區(qū)等物理方式對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生殺傷作用。因此，GFNs 作為抗菌劑成功運(yùn)用在口腔醫(yī)療[16]、傷口敷料[17]、醫(yī)用材料[18]等領(lǐng)域。伍韓雪等[19]發(fā)現(xiàn)石墨烯抑制白色念珠菌等真菌生長(zhǎng)。GFNs 抗菌機(jī)制可分為：機(jī)械破壞、氧化應(yīng)激、磷脂抽提、電子轉(zhuǎn)移、光熱效應(yīng)和自殺傷效應(yīng)等[20]。需要注意的是GFNs 的抗菌機(jī)制沒(méi)有特異性，在殺傷細(xì)菌的同時(shí)也會(huì)損害正常細(xì)胞，因此在利用GFNs 抗菌時(shí)，建議體表或局部給予小劑量GFNs 制劑，能盡可能減少對(duì)周圍正常細(xì)胞的損傷。

1.3 光學(xué)成像和光學(xué)治療

石墨烯具有的零帶隙結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的光學(xué)特性，可用于熒光成像、光動(dòng)力治療或光熱治療等醫(yī)用光學(xué)領(lǐng)域。在熒光成像領(lǐng)域，GQD 的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，易選用GQD 進(jìn)行細(xì)胞熒光成像[21-24]。在光動(dòng)力治療領(lǐng)域，Ju 等[25]報(bào)道GQD 作為光敏劑通過(guò)光動(dòng)力效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species，ROS），進(jìn)而破壞細(xì)胞壁，阻斷細(xì)胞能量代謝而殺傷細(xì)胞。在光熱治療領(lǐng)域，被激光照射后的GFNs在躍遷過(guò)程中產(chǎn)熱，利用熱能灼傷相應(yīng)細(xì)胞。Costa等[26]將rGO 作為光熱劑，通過(guò)光熱效應(yīng)達(dá)到消滅乳腺癌細(xì)胞的治療目的。GFNs 的光學(xué)特性在熒光成像方面表現(xiàn)出巨大的潛能，GQD 吸收光譜廣，使用近紅外二區(qū)光照射GQD，能夠被激發(fā)產(chǎn)生熒光量子產(chǎn)率極高的共振熒光。GQD 標(biāo)記配體作為熒光探針與相應(yīng)受體結(jié)合后實(shí)現(xiàn)細(xì)胞或動(dòng)物靶向成像的作用。這種GFNs 光學(xué)成像技術(shù)在疾病診斷、靶向治療或研究藥物代謝過(guò)程、觀察細(xì)胞分布等眾多醫(yī)藥領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，也是創(chuàng)造GFNs 經(jīng)濟(jì)價(jià)值的重要領(lǐng)域。

1.4 藥物輸送載體

研究表明，GFNs 的低細(xì)胞毒性和有效排出體外特點(diǎn)，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(huán)氧基、羥基和π-π 鍵，可順利地與脂溶性藥物連接；碳環(huán)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(jí)石墨烯量子點(diǎn)比表面積大，可負(fù)載大量脂溶性或水溶性藥物[27]。GFNs 對(duì)周圍環(huán)境酸堿度具有敏感響應(yīng)性，酸堿度在中性條件下GFNs 載藥負(fù)載量最大；若在酸性條件下GFNs 呈現(xiàn)釋放所載藥物特點(diǎn)，保證了局部使用GFNs可達(dá)到緩釋藥物，持續(xù)作用的良好效果[27-29]。此外，GFNs 還能夠精準(zhǔn)地被腫瘤細(xì)胞攝取而實(shí)現(xiàn)靶向性治療[28-29]。因此，GFNs 是制藥行業(yè)前景巨大的藥物輸送載體。

2 GFNs 對(duì)MSC 的影響

MSC 具有多系分化的潛能，在體內(nèi)或體外誘導(dǎo)條件下，可分化為脂肪、骨、軟骨等多種組織細(xì)胞。骨組織工程中可利用GFNs 聯(lián)合MSC 的方法修復(fù)骨或軟骨等硬組織損傷。

2.1 GFNs 對(duì)MSC 增殖和成骨分化影響的研究

GFNs 類型、濃度以及作用時(shí)間等因素都影響MSC增殖或成骨分化過(guò)程，GFNs 對(duì)MSC 增殖或成骨分化影響表現(xiàn)為“促進(jìn)或抑制”的雙重效果。Yang 等[30]實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，GOQD 促進(jìn)MSC 增殖和成骨分化效應(yīng)優(yōu)于GO。Wang 等[31]實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雙氫氧化物石墨烯量子點(diǎn)（LDH-GQD）在第72 h 促進(jìn)MSC 增殖的效果最好，在第14 天明顯促進(jìn)MSC 成骨分化。Yang 等[32]利用細(xì)胞周期、CCK-8、細(xì)胞凋亡等實(shí)驗(yàn)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(jìn)MSC 增殖和成骨分化。Li 等[33]學(xué)者也發(fā)現(xiàn)10 μg/ml GOQD 短時(shí)間內(nèi)會(huì)明顯促進(jìn)MSC 增殖和成骨分化。Geng 等[34]實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，被表面攜帶中性或負(fù)性電荷的石墨烯量子點(diǎn)作用的MSC，隨著作用時(shí)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(zhǎng)時(shí)間作用于MSC 可能會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)。雖然各研究文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)不同，但可以認(rèn)為被表觀修飾的不同類型石墨烯對(duì)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(zhǎng)時(shí)間作用于MSC，則可能會(huì)產(chǎn)生抑制增殖和成骨分化的不良影響，其機(jī)制還需要深入揭示。

2.2 GFNs 對(duì)MSC 增殖和成骨分化影響的分子機(jī)制

GFNs 如同一把雙刃劍，既能促進(jìn)也會(huì)抑制MSC增殖和成骨分化。促進(jìn)效應(yīng)的分子機(jī)制主要觀點(diǎn)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(dāng)MSC 與GFNs 接觸后，整合素上β 亞基結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，通過(guò)踝蛋白等銜接蛋白介導(dǎo)而激活黏著斑激酶，完成生物力化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，隨后上調(diào)下游與細(xì)胞增殖和成骨分化的相關(guān)通路[35]。此外，短時(shí)間或低濃度GFNs 在MSC 內(nèi)會(huì)產(chǎn)生ROS，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)抗氧化系統(tǒng)失衡時(shí)，MSC 處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，隨后不能被抗氧化系統(tǒng)清除的ROS 會(huì)作用于線粒體而產(chǎn)生線粒體自噬現(xiàn)象，溶酶體降解損傷的線粒體細(xì)胞器為MSC 提供營(yíng)養(yǎng)和ATP，促進(jìn)MSC 增殖和成骨分化[36-37]。GFNs對(duì)MSC 發(fā)揮抑制效應(yīng)的可能機(jī)制包括高濃度或長(zhǎng)時(shí)間接觸GFNs 產(chǎn)生的大量ROS 破壞氧化還原系統(tǒng)，抑制能量代謝或損傷DNA 遺傳物質(zhì)，造成細(xì)胞非程序性損傷、細(xì)胞凋亡、自噬性死亡及鐵死亡等過(guò)程，產(chǎn)生細(xì)胞毒性。深入研究GFNs 的安全性能，是如何正確使用GFNs 的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3 展望

GFNs 憑借優(yōu)越的組織工程支架、抗菌抑菌、光學(xué)成像、光學(xué)治療和藥物輸送載體等醫(yī)藥學(xué)性質(zhì)被廣泛用到骨組織工程領(lǐng)域。為了更好地闡明GFNs 對(duì)MSC的影響，應(yīng)利用高通量測(cè)序、代謝組學(xué)等技術(shù)揭示不同濃度、不同作用時(shí)間或不同表觀修飾的石墨烯對(duì)MSC 基因組學(xué)影響；同時(shí)開(kāi)展材料學(xué)、高分子化學(xué)、組織工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等多學(xué)科聯(lián)合研究，利用大動(dòng)物開(kāi)展動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)，深入揭示GFNs 對(duì)人體的生物學(xué)影響和分子機(jī)制，以找到GFNs 的安全使用條件，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。