李紅亮，楊勝韜

(西南民族大學化學與環(huán)境保護工程學院，四川 成都 610041)

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富勒醇的生物醫(yī)學應用*

李紅亮，楊勝韜

(西南民族大學化學與環(huán)境保護工程學院，四川 成都 610041)

富勒烯(C60)作為最具代表性的碳納米材料之一，由于其獨特的結構和物理化學性質，在許多領域有著極為廣闊的應用前景，如電子、生物、醫(yī)學、材料及催化等。富勒醇是通過化學方法在富勒烯的碳籠上引入羥基而得到的功能化衍生物。由于容易合成，結構簡單，生物相容性好，受到了研究者的廣泛關注和研究。本文在總結國內外相關研究基礎上，系統(tǒng)闡述了富勒醇的生物醫(yī)學應用研究情況。

富勒醇；生物醫(yī)學；生物安全性

富勒烯C60是由 sp2碳原子組成的球形籠狀分子，難溶于水[1]，限制了其生物醫(yī)學應用。獲得水溶性富勒烯衍生物最普遍的方法是羥基化反應[2]，富勒醇不僅結構簡單，容易合成，生物相容性和水溶性也很好。當羥基數(shù)目達到20個左右時，富勒醇具有良好的水溶性[3]。人們在生物醫(yī)學領域中對富勒醇的研究十分廣泛。富勒醇具有電子親和力，表現(xiàn)出很強的抗氧化能力，可減少體內自由基[4-5]。富勒醇也可作為納米藥物運載體[6]，在藥物開發(fā)領域有舉足輕重的地位。

人們也注意到納米粒子將進入土壤、水和空氣，并通過各種途徑進入動植物和人體內[7]。近來的研究表明富勒稀衍生物可能存在潛在的毒性[8-9]。高濃度的富勒醇會誘導細胞調亡[10]。研究發(fā)現(xiàn)，當富勒醇的劑量為100 mg/mL時，會引起細胞死亡，其機制是導致細胞中蛋白質泛素化降解[11]。因此在富勒醇生物醫(yī)藥應用過程中需要關注其副作用。

本文綜述了富勒醇在生物醫(yī)學領域中的應用，探討富勒醇的應用前景和影響因素，并對未來的研究進行展望。

1 抗氧化和神經保護作用

生理過程離不開活性氧，但是當活性氧水平過高又會產生損傷性作用[12]。許多神經性疾病如帕金森綜合癥、阿爾茨海默病和肌萎縮性側索硬化癥，是由活性氧自由基過多引發(fā)的。機體衰老也與此密切相關[13-14]。富勒烯的表面上有大量C=C共價雙鍵，容易與游離的自由基反應，被稱為是吸收游離自由基的海綿[15]。在富勒烯表面引入了供電子基團羥基的富勒醇，降低了C60電負性、保留了C60自由基加成反應的活性，因而降低了生物毒性。

富勒醇幾乎能夠清除所有的活性氧(ROS)以及活性氮(RNS)[16-17]。富勒醇抵御由 H2O2引起的氧化應激[13, 18]、保護超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)的氧化和減少肝脂質過氧化作用，抑制電離輻射引起的細胞凋亡[2, 19-20]。在狗小腸移植過程中，富勒醇可以減少氧化應激[21-22]。Injac等[23]證實富勒醇前處理可以消除抗癌藥物─阿霉素(DOX)引起的有害影響，保護心臟。Dugan等[9]通過電子自旋光譜證明，C60(OH)12具有良好的抗氧化性能，減少由氧化應激引起的神經元細胞死亡，從而保護神經。

此外，富勒醇可以用作神經保護劑，原理是阻斷谷氨酸受體，降低細胞間的鈣離子濃度。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，在中性培養(yǎng)液中，50 μM C60(OH)x能降低由谷氨酸引起的神經毒性的80%，且C60(OH)x抑制谷氨酸受體具有濃度依賴性[27]。

2 腫瘤治療

富勒醇可以用于腫瘤治療，因為富勒醇能“監(jiān)禁”腫瘤細胞，抑制腫瘤生長和轉移，并且沒有體內毒副作用，不誘發(fā)腫瘤的抗藥性。Zhu等[28]研究了C60(OH)x對腫瘤生長的抑制作用。注射C60(OH)x的時間越早、劑量越大，腫瘤抑制率越高。C60(OH)x抑制腫瘤生長的機理是激活胞內酸性磷酸酶和精氨酸酶，增強巨噬細胞的吞噬作用，從而增強小鼠的先天免疫力。陳滇寶等[29]證實，富勒醇可用于光動力殺傷和誘導癌細胞凋亡，抑制人宮頸癌細胞株 Hela以及人喉癌細胞株Hep-2的生長。

金屬富勒醇[Gd@C82(OH)22]n是富勒烯的另一種衍生物，具有更強的抗腫瘤效應，可刺激免疫細胞成熟。Yin 等[5]研究表明，腹腔注射[Gd@C82(OH)22]n納米顆粒降低了代謝相關酶的活性，作為良好的自由基清除劑，抑制腫瘤生長。Meng等[30]以MCF-7、ECV304 為模型測定[Gd@C82(OH)22]n對腫瘤細胞生長抑制，證實[Gd@C82(OH)22]n對腫瘤細胞有很強的殺傷作用。另外，梁興杰等[31]在動物水平證實，[Gd@C82(OH)22]n促進抗性細胞的內吞作用，增加腫瘤細胞對順鉑的攝入量，進而阻斷DNA 遺傳物質的復制，抑制耐藥腫瘤細胞的繁殖[32-33]。腫瘤細胞會釋放基質金屬蛋白酶(MMP)降解到細胞外基質(ECM)，進而滲透到血管攻擊正常的細胞，最終導致癌細胞轉移。Zhao等[34]發(fā)現(xiàn) Gd@C82(OH)22能夠抑制 MMP。MMP會形成一個纖維籠將腫瘤細胞限定到自己的 ECM，以達到減少 MMP 的表達，從而抑制腫瘤細胞的轉移[35]。Zhou等[36]使用分子動力學模擬研究表明，Gd@C82(OH)22能夠與這兩個結構域作用。

3 藥物載體

富勒醇用于載藥是另一個研究熱點。富勒醇表面連接著極性基團羥基，這使它能夠用作“錨”被紅血球細胞骨架蛋白吸收，從而延長藥物的停留時間[37]。Chaudhuri等[6]報道，富勒醇與DOX通過氨基甲酸酯實現(xiàn)共軛連接，可超高負載DOX。與腫瘤裂解物一起培養(yǎng)時會將 DOX 釋放出來，進而殺死癌細胞。體內實驗表明游離的 DOX與富勒醇-DOX 復合物具有相似的抗腫瘤活性，但負載后副作用消除。此外，富勒醇不僅可以輸送親水性的藥物，還可以輸送疏水性的藥物，比如微溶于水的順鉑。

李宇國等[38]運用放射性核素67Ga 標記富勒烯衍生物C60(OH)x，定量測定富勒醇在小鼠體內的分布與轉運。富勒醇在小鼠體內轉運容易，主要分布在骨髓、骨、肝臟和脾中，但血腦屏障難以穿越，有望用于惡性淋巴腫瘤導向治療的藥物載體。Bhattacharya等[39]將聚酰胺-胺型樹枝狀大分子(PAMAM)通過伯胺與富勒醇結合，形成自組裝樹狀分子。其中，氫鍵、靜電作用和離子鍵等均是復合物形成的驅動力。這種樹狀分子的特殊結構使其可以用作新型藥物載體。

4 基因探針

Pinteala等[40]在生理學pH條件下制備了 C60(OH)24與ds DNA 的絡合物，測定其在水相中的熒光性質。在DNA濃度維持不變的條件下，在富勒醇濃度為1.6×10-5～4.4×10-5mol/L時，C60(OH)24-DNA 復合物的熒光強度與濃度呈線形關系。DNA濃度低至納摩爾級別，富勒醇的熒光強度也會數(shù)倍增長，可用于DNA探測。

5 防輻射

電離輻射有“直接作用”和“間接作用”兩種，由于機體內含有大量的水份，間接作用在輻射損傷中占主要地位?！伴g接作用”是電離輻射作用于機體內的水或生物分子，引起水或生物分子的活化和自由基形成,這些活化的分子和自由基作用于另一生物分子，造成該生物分子的損傷[41]。富勒醇能夠清除活性氧自由基，而電離輻射作用于生物體內產生超氧陰離子自由基，從而富勒醇對輻射造成的氧化損傷有防護作用。李宇國等[42]報道在紫外照射下，富勒醇吸收紫外照射產生的自由基使細胞膜不被紫外照射產生損傷，使得富勒醇對細胞具有保護作用。蔡小青等[43]報道了富勒醇不僅對輻射具有防護作用，并對輻射損傷的機體具有恢復治療作用。可能的機制是通過直接吸收照射后產生的大量活性氧自由基，還可能通過提高體內的抗氧化酶活性，增強細胞免疫功能，促進造血和免疫細胞的增殖和生長，從而提高細胞對輻射的抵抗，使輻射損傷組織得到恢復。

6 MRI造影劑

在臨床診斷中，核磁共振成像(MRI)技術是重要的疾病診斷方法，通過檢測人體暴露于橫向磁場時水分子內質子的弛豫時間，增強劑延長弛豫時間從而縮短掃描時間并獲得更清晰的圖像。臨床用MRI 造影劑主要是以高順磁性金屬為形成體的螯合物，其中Gd-DTPA配合物最為常用。然而，螯合導致金屬弛豫能力下降，造影劑的組織特異性不強，有釋放有毒Gd原子的風險，容易造成機體損傷。Mikawa等[44]報道了Gd@C82的水溶性多羥基衍生物Gd@C82(OH)n的弛豫效應，其磁共振弛豫效率是目前商用造影劑Gd-DTPA的20多倍，很低劑量即可產生高清晰圖像。Gd@C82(OH)x的球形結構能包裹Gd原子，防止Gd與細胞接觸，同時在復雜的生化環(huán)境中不會分解釋放Gd離子。盧興等[45]發(fā)現(xiàn)[Gd@C82(OH)22]n的弛豫能力明顯高于Gd@C82(OH)6(NHCH2CH2SO3H)8。作為一種新型的核磁成像造影劑，金屬富勒醇有望在醫(yī)學診斷中發(fā)揮重要作用。

7 展 望

富勒醇在藥物/基因載體、生物成像、腫瘤治療、抗病毒/抗菌以及生物傳感等生物醫(yī)學領域具有潛在的應用，應進一步深入系統(tǒng)研究。在關注其正面應用的同時，應該加強其生物安全性問題方面研究。如何使富勒烯及其衍生物在復雜的生物體內發(fā)揮其有利的作用是亟待深入研究的問題。

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Biomedical Applications of Fullerenols*

LIHong-liang,YANGSheng-tao

(College of Chemistry and Environment Protection Engineering, Southwest University for Nationalities,Sichuan Chengdu 610041, China)

Fullerene(C60) is one of the most representative nanomaterials. Due to their excellent structure and physiochemical properties, it has a wide range of potential applications in biomedical, material science, catalysis and many other fields. Fullerenol is the derivative of fullerene after hydroxylation. Because of the easy synthesis, simple structure, good biocompatibility, fullerenol has been received extensive attention and research. Herein, bysummarizing relevant researches, the biomedical applications of fullerenol were reviewed systematically.

fullerenol; biomedicine; biosafety

西南民族大學中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金項目國家重大項目孵化項目(No：2016NZDFH01)。

李紅亮(1990-)，男，本科生，研究方向為納米材料的生物安全效應。

楊勝韜(1985-)，男，副教授，從事納米材料的環(huán)境生物效應研究。

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A

1001-9677(2016)023-0021-03