碳纳米材料在生物医学领域的应用

碳纳米材料在药物/基因载体领域的应用摘要：纳米材料已发展成为一种新型材料，纳米材料由于其独特的物理化学性质，如小尺寸效应、巨大比表面积、极高的反应活性、量子效应等，成为当今世界三大支柱科学之一。碳纳米材料主要包括碳纳米管、富勒烯、墨烯、纳米钻石及其衍生物等，是纳米材料领域重要的组成部分。由于其独特的理化特性，它们在生物医学领域具有广泛的应用前景。另外，各种形式的碳纳米材料将以不同途径进入人们的生活，纳米材料的生物安全性问题也正受到世界各国科学家的广泛关注。本文综述了这四类碳纳米材料在药物/基因载体领域的应用现状，最后，讨论了该领域未来的研究内容和方向。关键词：碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯纳米钻石载体ApplicationofCarbon-BasedNanomaterialsindrug/genecarrierFieldAbstract:Nanomaterialshasbecomeakindofnewmaterial,nanomaterialsduetotheiruniquephysicalandchemicalproperties,suchassmallsizeeffect,hugespecificsurfacearea,highreactionactivity,quantumeffects,andbecomeoneofthethreepillarsofworldsciencetoday.Carbon-basednanomaterialsisanimportantpartinthefieldofnanomaterials,theirincludingcarbonnanotubes,fullerenes,graphene,nanodiamondandtheirderivatives.Duetotheiruniquephysicalandchemicalproperties,theyhavebroadapplicationprospectsinthebiomedicalfield.Inaddition,variousformsofcarbon-basednanomaterialswillenterpeople'slifeindifferentways,andthebiologicalsafetyofnanomaterialsisalsobeingwidelyconcernedbyscientistsaroundtheworld.Thisarticlereviewsthepotentialapplicationsofallfourtypesofcarbon-basednanomaterialsinthedrug/genecarrier.Inaddition,thebiosafetyissueisalsoreviewed.Keywords：carbon-basednanomaterials；carbonnanotubes；fullerene；graphene；nanodiamond；carrier1引言当物质进入纳米尺度时，会展现出特有的理化性质，如:小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等。随着纳米技术的不断发展，各种纳米材料逐渐进入了我们的视野。碳纳米材料主要包括碳纳米管、富勒烯、石墨烯和纳米钻石及其衍生物，是目前应用非常广泛的一类纳米材料，现有的研究结果表明，碳纳米材料在组织工程、药物/基因载体、生物成像、肿瘤治疗、抗病毒/抗菌以及生物传感等生物医学领域中具有潜在的应用前景。虽然，对于纳米材料的研究才刚刚起步，但其发展速度极快，将纳米材料与生物医学融为一体，为生物医学工程的进一步研究发展提供了更加广阔的空间和平台。2碳纳米材料的应用2.1药物载体碳纳米管是Lijima于1991年发现的一种新型纳米材料,是一种由碳原子sp2杂化形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。其独特的中空结构和纳米管径，为容纳药物或生物特异性分子提供了有利的空间，但由于它不溶于任何溶剂，限制了它在生物医学领域的应用。所以，对其表面进行修饰，可以提高它的水溶性、生物相容性及靶向性。据报道，通过对单壁碳纳米管进行修饰，在其表面连接叶酸就可以靶向叶酸受体阳性的肿瘤细胞，在红外线的照射下特异地杀伤肿瘤细胞，但对正常细胞不会造成不良影响。Liu等合成了可以作为抗癌药物紫杉醇载体的聚乙二醇修饰的碳纳米管，结果表明，与紫杉醇相比，碳纳米管载药提高了药物的穿透性及在血液循环中的停留时间，对肿瘤的生长起到了很好的抑制作用，但对正常细胞没有毒副作用。欧忠敏等以SWCNTs为载体，将整合素αvβ3单克隆抗体作为肿瘤靶向分子标记在SWCNTs上，构建基于碳纳米管的新型肿瘤靶向探针，通过人脐静脉内皮细胞HUVEC和高度表达整合素αvβ3的人脑神经胶质瘤细胞U87MG为模型进行研究，结果表明，这种新型材料对U87MG具有很好的靶向性，是一种有潜力的肿瘤靶向性药物载体。富勒烯，又称巴基球，是又一种由碳原子形成的一系列笼形分子的总称C60。它的颗粒较小，进入人体后，能够通过一些生物体内的安全屏障，到达一些常规药物所不能到达的病灶，可以作为潜在的药物运输分子。研究表明，富勒烯作为药物载体可以有效负载阿霉素和促红细胞生成素等。Venkatesan等研究富勒烯作为吸附剂，输送促红细胞生成素EPO，使EPO的浓度达到了单独使用EPO时的两倍，有效提高了EPO的生物利用率。据报道，基于富勒烯的胶束也可以用于药物输送。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度。它不仅是所有材料中最薄，也是最坚硬的纳米材料。物理学家Geim和Novoselov由于成功地从石墨中分离出石墨烯，而共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。功能化的石墨烯也可以作为药物分子的载体。2008年，Liu等首次报道了功能化的石墨烯可以作为药物分子载体。他们将氧化石墨烯用PEG修饰，得到的石墨烯材料在生理条件下和血清中都表现出良好的生物相容性及稳定性，通过π-π堆积将抗癌药物喜树碱衍生物SN38负载在修饰后的石墨烯表面，石墨烯只有单个碳原子的厚度，两面都可以载药，具有其他纳米材料无可比拟的超高载药率。实验结果表明，所负载的SN38对肿瘤细胞的杀伤能力是抗癌药依立替康的近1000倍，而且PEG修饰的石墨烯衍生物不具有明显的细胞毒性。中科院苏州纳米所的研究人员合成了一种可以携带及靶向运输抗癌药物的新型载体——纳米级石墨烯氧化物。将叶酸以共价键连接在石墨烯上，可以特异性的靶向带有叶酸受体的MCF-7细胞。Sun等合成了PEG修饰的纳米石墨烯氧化物，其在水溶液和血清中都具有良好的溶解性和分散度。由于其粒径小、比表面积大以及独特的光学性质，因此被认为是一种极有潜力的生物医学新材料。此外，Bao等合成了壳聚糖修饰的石墨烯氧化物，并探讨了其负载抗癌药物喜树碱的能力。结果表明，GO-CS载药率高，负载CPT的GO-CS比纯的CPT对肿瘤细胞有更强的杀伤力。纳米钻石，具有无毒性及生物相容性高等特点，是碳纳米材料的一个新兴的研究领域。2007年，Huang等报道纳米钻石可以作为化疗药物载体用于癌症治疗。2011年，该小组进一步研究了纳米钻石作为抗癌药物DOX载体应用于动物体内的实验，结果显示，与DOX比较，纳米钻石负载的DOX具有抗耐药性，而且对癌细胞的杀伤作用更强。周雪萍研究了发红色荧光纳米钻石-阿霉与细胞的相互作用，实验结果表明，FND-DOX通过网格蛋白介导的内吞作用进入细胞，DOX则是通过被动扩散作用进入细胞，且具有缓释作用，这一结果表明，FND不仅可以作为药物载体，而且可以作为荧光探针研究载药系统与细胞的相互作用。2.2基因载体基因治疗是通过将目的基因送到靶细胞中，使目的基因进行复制和表达，从而特异性的治疗疾病的一种方法。要实施基因治疗，首先需要合适的基因载体，以保护DNA不被核酸酶降解。所以，寻找合适的基因载体是目前基因治疗研究的主要方向。碳纳米管在基因转染方面取得了很大成功。2004年，Pantarotto等首次报道了碳纳米管转染β-gal基因的例子，发现带正电荷的胺基化多壁碳纳米管转染率高。随后，掀起了碳纳米管在基因转染方面的研究。Leong等将碳纳米管用聚乙酰亚胺修饰后，转染效率比PEI高3倍。胺基化碳纳米管可以携带有绿色荧光蛋白报告基因的质粒转染人脐静脉内皮细胞和人黑色素瘤细胞株A375，结果显示，当胺基化的碳纳米管与质粒的电荷比为10∶2时，转染效率最高。Zhang等将TERT基因用SWCNTs作载体注射到荷瘤鼠体内，肿瘤的生长也得到了很好的抑制。2010年，日本东京大学成功地向动物体植入了可运载基因的C60，他们合成了带有4个胺基的水溶性富勒烯，将绿色蛋白GFP的基因与水溶性富勒烯结合，注入小鼠静脉中。随后，在小鼠肺部、肝脏和脾脏中发现了绿色荧光蛋白基因，这一研究首次利用碳纳米材料成功地将基因植入动物体。Sitharaman也证实，水溶性富勒烯C60衍生物可以作为基因载体成功用于GFP基因转染。修饰后的氧化石墨烯也可以作为基因载体。Feng等研究了PEI修饰的氧化石墨烯(PEI-GO)的转染效率，结果表明，将PEI接枝到氧化石墨烯上，不仅能够提高该聚合物的转染效率，而且还降低了阳离子聚合物的细胞毒性。此外，Huang等合成的壳聚糖(CS)修饰的石墨烯氧化物(GO-CS)，在合适的氮磷比条件下，能够将质粒DNA高效的转染进入Hela细胞中。Zhang等研究了PEI-GO载体负载DOX及Bcl-2靶向的siRNA后对肿瘤细胞的杀伤能力，结果表明，负载Bcl-2靶向的siRNA的PEI-GO/DOX能够显著提高PEI-GO/DOX对肿瘤细胞的杀伤能力。纳米钻石在基因载体领域的应用是一个新的研究方向。Zhang等通过表面固定化和共价结合将PEI和胺基修饰在纳米钻石表面，并研究了其转染效率。结果表明，修饰后的纳米钻石转染效率高、毒性低，是有潜力的基因转染试剂。Martin等通过芬顿反应对纳米钻石进行处理，将纳米钻石的粒径降至4nm，提高了表面的羟基数及水溶性，更有利于其穿过细胞膜。用三乙基修饰后，能够将GFP基因转染进Hela细胞内。Zhang等合成的功能化的纳米钻石能够保护DNA不被降解，将质粒有效转染进COS-7细胞中，并且与对照PEI相比，毒性低，转染效率高。3结语碳纳米材料是纳米材料领域重要的组成部分，药物/基因载体领域具有潜在的应用，应该进一步深入系统研究。另外，在关注其正面应用的同时，应该加强其生物安全性问题研究，目前，对于纳米材料的安全性评估还很不完善，还有许多尚待解决的问题。也没有建立完善的纳米安全性评价方法和评估程序。当然，纳米材料的毒性效应并不是绝对的，可以通过化学修饰保持纳米材料的优越性又避免其毒性效应，使其更为安全、广泛地应用于各个领域。总体来说，纳米材料与生物医学的结合是一场伟大的新的变革，应该加大纳米材料研发方面的力度，吸引更多优秀的科学家投入相关研究。参考文献：[1]张金超，杨康宁，张海松，梁兴杰.碳纳米材料在生物医学领域的应用现状及展望.化学进展，2013,25（3）:397-405.[2]王冬华.纳米材料在生物医学领域的应用.合成材料老化与应用.2015,44(5):104-106.[3]王萍,毛红菊.纳米材料在生物医学检测中的应用.中国生物工程杂志.2011,31(9):88-93.