一文看懂石墨烯在生物醫(yī)藥的研究進展

近年來，石墨烯開始在生物醫(yī)藥領(lǐng)域嶄露頭角，在納米藥物運輸系統(tǒng)、生物檢測、腫'瘤看診以及細胞成像等方面發(fā)揮著重大的作用；納米科學(xué)中心趙宇亮院士與谷戰(zhàn)軍教授合作，綜述了石墨烯基材料在癌癥聯(lián)合看診中的設(shè)計原理、研究進展、挑戰(zhàn)和前景。

圖1石墨烯基材料用于多種刺激誘導(dǎo)藥物釋放或直接性看診結(jié)果的癌癥聯(lián)合看診

石墨烯基癌癥聯(lián)合看診平臺設(shè)計

石墨烯材料所具備的獨特SP2雜化的二維結(jié)構(gòu)以及邊緣的高反應(yīng)活性的特點，使得在設(shè)計和開發(fā)以其為基礎(chǔ)的癌癥看診平臺時一般有負載和嫁接這兩種思路。

所謂負載的方法，包括石墨烯疏水表面和脂溶性分子間的疏水-疏水相互作用相連接以及親水性分子靜電作用相或者氫鍵連接在邊緣；另外就是將石墨烯包覆在納米顆粒表面形成核殼結(jié)構(gòu)和利用π–π鍵或者氫鍵將石墨烯嵌入聚合物形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。

而嫁接的方法則是指將有機分子、納米顆?；蛘呔酆衔锕矁r地接入石墨烯骨架之中。其中主要是和石墨烯所具備的含氧官能團反應(yīng)連接，因此會受到多種刺激因素的影響。所以可以利用嫁接的方法將石墨烯基材料設(shè)計成受不同因素（如光、熱、電、磁、酸度等）影響的智能化看診平臺。

石墨烯基材料用于癌癥化療聯(lián)合其他療法的研究進展

許多臨床的研究表明，純粹依靠化療這樣單一的療法并不能像預(yù)期的那樣，其原因主要是由于癌細胞的耐藥性和癌癥患者個體差異性等問題的影響。研究者大量實驗發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合看診即將多種看診方法相結(jié)合已經(jīng)顯示出提高癌癥看診結(jié)果的不凡性能。

目前來說，化療是癌癥臨床看診中主要的看診方法之一。因此在科學(xué)研究或臨床應(yīng)用中，各種基于化學(xué)看診的聯(lián)合看診方法被廣泛報道。而其中石墨烯由于表面積大，易功能化，在復(fù)雜的生理環(huán)境中的穩(wěn)定性高等眾多的優(yōu)勢，以其為基礎(chǔ)的材料被研究人員認為是基于化學(xué)看診的聯(lián)合看診的不錯代表。

在實際化療中，癌細胞的耐藥性影響作用主要障礙。研究表明，光熱效應(yīng)會干擾DNA修復(fù)，增加腫'瘤細胞對于化學(xué)藥物如doxorubicin（DOX）的敏感性從而克服癌細胞的耐藥性。

此外，近紅外激光誘發(fā)的PTT被認為可以增加細胞膜的通透性來增強癌細胞對于藥物的吸收。所以PTT不僅可以直接導(dǎo)致癌細胞死亡，而且還能同時促進腫'瘤部位的藥物釋放，增強化療的作用。因此，將化療與PTT結(jié)合可以產(chǎn)生額外的協(xié)同看診結(jié)果。

圖2石墨烯基材料用于化學(xué)-光動力聯(lián)合看診

目前，許多以石墨烯為基礎(chǔ)的利用腫'瘤微環(huán)境如pH較低和更高的GSH濃度來靶向地進行藥物釋放實現(xiàn)化療聯(lián)合PTT的平臺被開發(fā)出來。這種針對于腫'瘤進行藥物釋放的功能也會降低對正常組織的。

此外，PDT作為一種非侵入性的看診方法也在針對癌癥或者其他病痛的看診中廣泛應(yīng)用。該方法主要是利用特定波長的激光作為外源性刺激來在特定的部位引發(fā)光敏劑產(chǎn)生活性氧物種（ROS）去殺死癌細胞。

近年來，化療與PDT相結(jié)合也在腫'瘤看診研究中被廣泛報道。原因在于將化療與PDT相聯(lián)合，PDT產(chǎn)生的ROS可以促進細胞內(nèi)藥物的傳遞，抗'癌藥物也可以提高腫'瘤對PDT的敏感度。

由于石墨烯基材料具有合格的負載運輸能力，其被用于疏水性光敏劑和化療藥物的載體去實現(xiàn)靶向PDT也有廣泛的應(yīng)用。

圖3石墨烯基材料用于化學(xué)-光動力聯(lián)合看診

此外，石墨烯基材料負載和連接不同的功能性分子或者納米材料，使得其在化學(xué)-基因聯(lián)合看診，化學(xué)-磁熱聯(lián)合看診和多種藥物共傳遞等方面也被利用和開發(fā)出來，大大豐富了以化學(xué)看診為基礎(chǔ)的聯(lián)合看診的手段和思路。

圖4石墨烯基材料用于基因介導(dǎo)的熱化學(xué)看診耐藥型腫'瘤

石墨烯基材料用于癌癥PTT聯(lián)合其他療法的研究進展

石墨烯基材料除了在藥物輸送方面的應(yīng)用之外，另一個獨特優(yōu)勢在于其合格的近紅外吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換效率，可用于腫'瘤PTT。PTT不僅能殺死對化療或放療不夠敏感的癌細胞，而且還能增強瘤內(nèi)的血液循環(huán)，改善腫'瘤中的含氧狀況。

因此PTT可以協(xié)同如PDT、放療和化療的進行協(xié)同看診。綜上，以石墨烯基材料設(shè)計和開發(fā)以PTT為基礎(chǔ)的腫'瘤聯(lián)合看診平臺已經(jīng)成為一大研究熱點。

圖5石墨烯基材料作為載體用于以PTT為基礎(chǔ)的腫'瘤聯(lián)合看診

例如PTT和PDT兩種經(jīng)典的光學(xué)看診得光敏劑更容易進入癌細胞，并且溫和的熱也可以改善瘤內(nèi)的血液循環(huán)提高飽和氧濃度，對于單線態(tài)氧的產(chǎn)生也有一定的幫助，從而增強PDT的作用。

圖6石墨烯基材料用于光熱增強的腫'瘤PDT

石墨烯基材料用于癌癥SDT聯(lián)合其他療法的研究進展

超聲是一種無毒的機械波，通常用于臨床診斷成像和腫'瘤看診。SDT的原理是超聲波可以地激活超聲波敏化劑產(chǎn)生ROS來殺死癌細胞。和PDT相比，SDT可以穿透更深層次的生物組織，并且可以快速的超聲能量沉積，將大量的超聲波聚焦到目標(biāo)腫'瘤處，殺死腫'瘤細胞，將對周圍健康組織造成的損害較小化。

石墨烯基材料由于具有很高的導(dǎo)電性和表面-體積比以及高光熱轉(zhuǎn)換能力，目前也被廣泛用于提高SDT的作用。例如超聲波可以激活二氧化鈦納米顆粒產(chǎn)生ROS，但是效率較低。將其負載于石墨烯上，利用石墨烯的高導(dǎo)電率分離電子和空穴，并且結(jié)合石墨烯在808 nm波長的激光下的光熱轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)PTT協(xié)同SDT增強抗'癌的作用。

圖7石墨烯基材料用于腫'瘤SDT-PTT聯(lián)合看診

前景展望

盡管石墨烯基材料在腫'瘤聯(lián)合看診中的應(yīng)用已有許多報道，但真正進入臨床應(yīng)用的卻。

研究者認為，這一領(lǐng)域今后的發(fā)展應(yīng)該著重考慮：

（1）對這些石墨烯基材料的生物功能性進行系統(tǒng)性評估，優(yōu)化性的調(diào)控其生物兼容性；

（2）如何綠色簡便的生產(chǎn)功能化材料來滿足臨床應(yīng)用的需要；

（3）如何利用石墨烯基材料設(shè)計開發(fā)腫'瘤診療一體化平臺進行準確化看診，及解決聯(lián)合看診中不同療法間的時間和空間的差異性等問題。

總之，本篇綜述介紹了利用石墨烯基材料的理化性能構(gòu)建平臺應(yīng)用于癌癥的聯(lián)合看診的研究進展。同時，作者闡明了亟待解決的問題和挑戰(zhàn)，鼓勵多領(lǐng)域聯(lián)合以共同推動石墨烯基材料走向癌癥聯(lián)合看診的臨床應(yīng)用。