基于石墨烯的药物递送技术优化方案

石墨烯的比表面积超大（理论值约为2630m2／g），可供吸附的位点多，载药量大，单层的氧化石墨烯可以装载其自身质量两倍的药物[4]。除此之外，石墨烯具有卓越的电热传导性质和低浓度时良好的生物相容性，这些特质使得石墨烯可以成为药物递送的优良载体[2]。2008年，Liu等首次将石墨烯引入药物递送领域[1]，用聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯（NGO）作为载体递送药物SN38。SN38为疏水的芳香环药物，其通过π-π相互作用与NGO-PEG复合物载体非共价连接，终产物NGO-PEG-SN38结构如图5-1（a）所示，其具备高水溶性，显著提高了SN38药物的疗效。自此以后，石墨烯在药物递送方面的应用研究呈爆炸式增长[5]，现今已被用于多种抗肿瘤药物和光敏剂的递送[6]。抗肿瘤药物的细胞杀伤作用很强，在治疗的同时会引起机体强烈的不良反应。靶向药物递送为最大限度地减少副作用、发挥药物功效提供了良策。常见的抗肿瘤药物如图5-1（b）所示，包括阿霉素（Doxorubicin， DOX）、喜树碱（Camptothecin， CPT）、紫杉醇、氯化亚硝脲、氟二氧嘧啶、甲氨蝶呤、硫蒽酮、β-拉帕醌和鞣花酸等。这些抗肿瘤药物可通过物理吸附或化学键合的方式负载到石墨烯基材料中，常用的连接方式有π-π相互作用、疏水相互作用等。与抗肿瘤药物一同传递的光敏剂有竹红菌素和二氢卟吩E6等。

图5-1　石墨烯基材料用于药物递送

（a）NGO-PEG-SN38结构图[1]；（b）由石墨烯基材料递送的抗肿瘤药物实例

药物的靶向传递和释放可由多种刺激引起，如图5-2所示。根据刺激的来源不同，可以分为两大类：内部刺激和外部刺激[7， 8]。癌细胞和正常细胞之间理化性质的差异，可提供药物控释的内部刺激，例如肿瘤组织长期处于偏酸性环境中，肿瘤细胞内的谷胱甘肽（Glutathione， GSH）含量高，组织温度较高等，这些差异均可引起药物释放。除此之外，光、磁场等外部刺激也是常用的药物控释手段。基于一种或多种刺激因素，研究人员成功开发出一系列石墨烯基的刺激响应型纳米载体，下面将详细介绍几种常见的刺激响应类型。

图5-2　药物靶向递送和释放中常见的刺激响应类型示意图[7]

GSH是保持细胞内氧化还原平衡的重要物质[9]。肿瘤细胞中的谷胱甘肽水平明显高于细胞外，谷胱甘肽在肿瘤细胞中的浓度为2～10mmol／L，而其在细胞外的浓度小于20 μmol／L[10]。谷胱甘肽具有切断二硫键的能力[9]，当药物与载体之间存在二硫键连接时，复合物在体内循环过程中可以长期稳定存在，一旦进入肿瘤细胞后就会引发断键反应，实现药物的释放。Wen等[11]使用含有二硫键的单甲氧基聚乙二醇（methoxy Polyethylene Glycol， mPEG）与纳米氧化石墨烯（NGO）键合形成NGO-SS-mPEG复合物，随后通过π-π相互作用和疏水相互作用装载抗肿瘤药物阿霉素（DOX）。PEG修饰可以显著提高NGO在水中的分散能力和在生理环境下的稳定性，但是PEG环绕在NGO周围，在一定程度上会阻碍药物的释放。在PEG与NGO之间引入二硫键可以解决药物释放的问题，如图5-3所示，在细胞外循环中NGO-SS-mPEG-DOX可以稳定存在，当复合物进入细胞后，暴露在高浓度的谷胱甘肽（GSH）下，PEG与NGO之间的二硫键断裂，此时DOX从复合物中释放的速率提高了1.5倍。

图5-3　NGO-SS-mPEG复合物载体的GSH刺激响应图示[11]

（a）NGO-SS-mPEG复合物赋予药物在血液中长时间循环的能力；（b）细胞内吞NGO-SS-mPEG-DOX；（c）细胞内高GSH的环境诱发二硫键断裂，PEG从NGO上脱离；（d）药物加速释放

肿瘤细胞组织比正常组织温度高，两者之间的温度差异常被用作药物控释的刺激。温敏聚合物对温度变化敏感，会产生亲水相和疏水相的转变，伴随产生体积的膨胀和收缩。温敏聚合物发生相转变的特征温度可以用低临界溶解温度（Low Critical Solution Temperature， LCST）或上临界溶解温度表示（Upper Critical Solution Temperature， UCST），其概念如图5-4（a）所示[7]。当温度在LCST或UCST周围发生变化时，会导致体积随之胀缩。药物可以在室温下装载到LCST温敏聚合物中，随后传递到病变组织处释放。Pan等[12]用温敏聚合物聚（N-异丙基丙烯酰胺）[Poly（N-isopropylacrylamide）， PNIPAM]修饰石墨烯片层（Graphene Sheet， GS），得到PNIPAM-GS复合物，其结构如图5-4（b）所示。该复合物的LCST为33℃，在室温下，该复合物呈现亲水膨胀状态，非水溶性抗肿瘤药物喜树碱（CPT）通过π-π相互作用和疏水相互作用装载到石墨烯片层中，到达高温病灶后，PNIPAM-GS复合物发生亲水相到疏水相的转变，体积收缩，实现药物的释放。PNIPAM-GS载体即使在高浓度（100mg／L）的情况下也几乎无细胞毒性，但装载CPT后会呈现出强有力的杀伤功效[图5-4（c)]。

图5-4　温度刺激响应型药物递送(www.xing528.com)

（a）低临界溶解温度（LCST）和上临界溶解温度（UCST）概念图示[7]；（b）装载CPT的PNIPAM-GS复合物结构式[12]；（c）不同浓度的PNIPAM-GS和PNIPAM-GS-CPT处理A-5RT3细胞后，细胞相对存活率统计结果[12]

肿瘤细胞的微环境、细胞内的溶酶体和核内体都是偏酸性的，正常的生理组织的pH约为7.4，然而肿瘤组织的pH为5.4～7.1[9]，酸性环境有利于药物脱离载体释放。在中性条件下，抗肿瘤药物和氧化石墨烯之间的氢键较强，药物释放缓慢；在酸性条件下，抗肿瘤药物的氨基被质子化，导致药物与石墨烯基材料之间的部分氢键解离，药物加速释放[13， 14]。Jin等[13]用结合血色素的葡聚糖修饰的氧化石墨烯复合物载体来输送阿霉素（DOX），提高了其在生理溶液中的稳定性和载药能力，具备杀死抗药性MCF-7／ADR细胞的能力。实验结果显示，在pH为5.5和pH为7.4的条件下，6天后分别有28%和20%的DOX被释放。Depan等[14]使用氧化石墨烯来装载DOX药物，并且将其密封在叶酸-壳聚糖（Chitosan-Folic Acid， CHI-FA）内部，形成DOX-GO-CHI-FA复合物，结构如图5-5（a）所示。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope， SEM）形态表征结果显示，在药物释放时，载体表面由光滑[图5-5（c）]变得多孔粗糙[图5-5（d）]。如图5-5（b）所示，在弱酸环境下（pH=5.3）下，相同药物载体中药物的释放速率远大于在正常的生理环境下（pH=7.4）的释放速率。与此相似，Kakran等[15]将氧化石墨烯分别与亲水聚合物普朗尼克F38（F38）、吐温80（T80）、麦芽糖糊精（Maltodextrin， MD）复合制备了GO-F38、GO-T80、GO-MD复合物，它们都能够高效负载低水溶性药物鞣花酸，同时可以观察到药物在酸性条件下加速释放的特征。

图5-5　pH刺激响应型药物递送[14]

（a）DOX-GO-CHI-FA复合物的结构示意图；（b）GO药物载体和GO-CHI-FA药物载体在酸性（pH=5.3）和中性（pH=7.4）条件下分别释放的DOX药物总量统计结果；（c）药物释放前GO-CHI-FA载体SEM图像；（d）药物释放后GO-CHI-FA载体SEM图像

石墨烯基材料在近红外光段有着强烈的吸收，因此可以灵敏感知光刺激信号。Kim等[16]用聚乙二醇和支化聚乙烯亚胺（Branched Polyethylenimine， BPEI）对还原氧化石墨烯进行功能化修饰，得到PEG-BPEI-rGO复合物，其通过π-π相互作用和疏水相互作用可以装载阿霉素（DOX）。如图5-6所示，当药物递送体系被细胞内吞后，使用近红外光辐照细胞，石墨烯的光热效应促进内吞体破裂，PEG-BPEI-rGO复合物逃逸到细胞质中，在高浓度的谷胱甘肽的作用下释放DOX。与未用红外光辐射的体系相比，这种光热效应介导的药物释放对肿瘤细胞的杀伤能力更强。

图5-6　PEG-BPEI-rGO复合物载体光刺激响应型药物释放示意图[16]

当石墨烯与磁性粒子复合后，可以通过调节外部磁场实现靶向给药[8]。氧化铁纳米颗粒（Iron Oxide Nanoparticle， IONP）是常用的磁性材料，Ma等[17]研发了一种GO-IONP-PEG复合物，结构如图5-7（a）所示，在装载阿霉素（DOX）后，可实现磁刺激响应型的药物靶向递送。如图5-7（b）所示，将磁体置于体外4T1细胞培养皿下方，发现GO-IONP-PEG-DOX复合物聚集在磁体正上方的细胞中，而在同一培养皿中远离磁体的细胞中几乎观察不到DOX摄取，这一现象证明了药物载体在磁场下靶向运动聚集的能力。当到达肿瘤细胞后，酸性环境加速药物的释放。磁性纳米颗粒在交变磁场的作用下会产生热量，这一现象被应用于肿瘤的磁热疗法（Magnetic Hyperthermia Cancer Treatment， MHCT）中[18]。因此，当使用石墨烯-磁性纳米颗粒复合药物载体时，既可以施加恒定磁场来增强其在肿瘤处的局部聚集，也可以使用交变磁场来诱导肿瘤发热，进一步增强治疗效果[8]。

图5-7　磁刺激响应型药物递送[17]

（a）GO-IONP-PEG复合物的结构示意图；（b）磁性载体的体外聚集结果