富勒烯及其衍生物在医药领域的应用研究进展

文丽君

（海南医学院药学院，海南 海口 571101）

富勒烯C60因其独特的三维共轭结构赋予了它独特的物理化学性质，为科学研究带来了许多契机，被誉为21世纪的明星分子。去年曾有科技新闻报道:日本学者野入英世和中村荣一等成功地向动物体内植入可运载基因的富勒烯(C60),以用于医学治疗。该研究成果拉开了开发低毒高功能基因植入法的序幕。对富勒烯及其衍生物的生物活性研究结果表明它们在抗氧化活性和细胞保护作用、抑制HIV酶和抗病毒作用、药物载带、肿瘤治疗和疾病诊断、抗菌活性等医药领域存在巨大的潜在应用价值。

一、富勒烯及其衍生物的抗氧化与神经保护作用

富勒烯表面有大量的共价双键，极易与游离基反应，被喻为"吸收游离基的海绵"。正是由于这一特性，一些富勒烯衍生物可以作为生物系统中的自由基清除剂和水溶性的抗氧化剂。Chiang等[1~3]报道了富勒醇对胃癌病人血液中自由基的清除作用；还能清除黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶在水溶液中产生的超氧自由基；证实六磺酸基富勒烯清除自由基抑制血浆中脂质过氧化，可以预防动脉粥样硬化并抑制粥样斑块增生。Dugan[4]报道用羧基化富勒烯治疗超氧化歧化酶基因编码缺失的肌萎缩侧索硬化症转基因小鼠模型，治疗组不仅症状比对照组晚出现10天以上，而且生存期增加了8天以上；Ali[5]等人指出有些C60富勒烯衍生物在生物医学上的抗自由基作用似乎跟超氧化歧化酵素(SOD)类似，但作用比SOD优越。Takada[6]等人研究发现C60富勒烯可直接与自由基作用，且捕捉自由基分子的速度明显比β-胡萝卜素快很多。

由于富勒烯及其衍生物能够有效清除生物体内氧自由基，而同时很多疾病包括许多神经退行性病变如帕金森病、阿尔茨海默病和肌营养不良性侧索硬化症（amyotrophielater-al sclerosis，亦名 Lou Gehrig's Disease）的病因与自由基有关，这为我们开发新型的药物提供了很好的思路。实验证明富勒烯及其衍生物可以有效地减少神经元死亡。在医学上,水溶性富勒烯作为常用的一类纳米分子颗粒已被用作抗氧化剂[7,8]。

富勒烯清除自由基的性能也被用于化妆品开发。日本三菱公司[9]已推出"自由基海绵产品"，将富勒烯置入水溶性聚合物中，在皮肤表面使用后能捕获皮肤因暴露在较强阳光下所产生的自由基，从而使皮肤看上去更光洁健康。

二、富勒烯及其衍生物的抑制生物酶活性和抗HIV病毒作用

最先发现C60衍生物的生物学效应是它对人免疫缺陷病毒蛋白酶（human immunodeficiency virus protease,HIVP）的抑制作用。Friedman[10]等报道C60的2-氨基乙基二苯基单琥珀酰亚胺衍生物对HIVP有抑制作用。HIVP对HIV的存活至关重要，它是一种天冬氨酸蛋白酶，HIV感染后，HIVP裂解一种多聚蛋白质，从而激活病毒逆转录酶，促使病毒增生。抑制HIVP可以终止HIV-I的生命周期。目前认为HIVP是抗病毒的主要靶点，HIVP抑制剂在临床上得到广泛应用。HIVP的活性位点是一个半开环的疏水椭圆体孔穴，其表面25位和525位有两个天冬氨酸残基，起催化作用。空穴直径1nm，和富勒烯的直径（0.71nm）相似。Friedman[11]等推测，由于C60分子直径同HIVP活性部位的椭圆体孔穴直径近似，且C60分子和HIVP活性部位的表面及孔穴内腔均为憎水性，它们之间可能会产生强烈的疏水相互作用，因此C60及其衍生物有可能堵住HIVP活性中心的孔穴，切断病毒赖以生存的营养供给，从而抑制其活性，阻止HIV病毒生长。他们利用DOCK3程序建立了C60衍生物和HIVP形成的复合物的模型，模型计算表明，两者复合物解离常数为10-6～10-9mol/L。在此基础上 Sijbesma等[12]人合成了一种称之为二酰胺基二酸二苯基C60的水溶性化合物，并测得它对HIVP的抑制常数K为5.3μmol/L。

RU2004/000208[13]发明一种在治疗膜病毒导致的疾病中用于抑制这些病毒活性的基于富勒烯羧基阴离子的药物，该药物具有不受限的水溶性、所需生物利用度、对感染细胞的高效作用和低毒性，开发了用于治疗人免疫缺陷病毒（HIV）、单纯疱疹病毒(HSC)和丙型肝炎病毒（HCV）导致的感染性疾病的药物组合物和方法。

RU2196602[14]提出了在基于氨基酸和富勒烯二肽衍生物的化合物帮助下抑制HIV复制和CMV感染的方法。富勒烯-一氨基-己酸和富勒烯-一氨基-丁酸的钠盐用作富勒烯氨基酸衍生物。

除HIVP外，C60衍生物也可抑制包括半胱氨酸蛋白酶、丝氨酸蛋白酶、谷胱甘肽转移酶、谷胱甘肽还原酶和一氧化氮合酶[15]在内的其他酶的活性，如HIV逆转录酶（HIVRT）、C型肝炎病毒RNA 依赖的RNA聚合酶[16]。另外，宋高广等[17]合成了富勒烯膦酸衍生物--二加成亚甲基富勒烯[60]二膦酸四乙酯（bis-methanophosphonate fullerene BMPF）纳米粒，发现它对Taq DNA聚合酶及DNA外切酶Exo III具有抑制作用，并呈现浓度梯度依赖性，这种抑制作用是直接作用于酶而非体系中的其他物质，与活性氧自由基的产生无直接相关性。n-BMPF作为一种特异性酶学活性的抑制剂有望在生物医学领域存在潜在应用前景。杨新林等[18,19]发现三丙二酸富勒烯（trimalonic acid C60,TMA C60)能抑制M-MuLV逆转录酶的活性，对DNA限制性内切酶Hind III和EcoR I及Taq DNA聚合酶都有抑制作用。

三、光动力学治疗及肿瘤治疗

血卟啉能敏化产生1O2,1O2具极高反应活性，可以杀死癌细胞。最近美国、日本等国家正式批准卟啉可以用于临床。C60产生1O2的效率远比卟啉高。C60受光激发后跃迁到单线态，随即返回到三线态，把能量转移给氧分子，产生单线态氧(1O2),C60这种通过光诱导产生单重态氧1O2的效率高达100%，被喻为"单重态氧的发生器"，可用于光动力学治疗。

陈滇宝等[20]采用C60Cln/NaOH研磨法制备富勒醇，应用富勒醇进行人后癌细胞株Hep-2以及人宫颈癌细胞株Hela的生长抑制试验，成功地观察到了光动力杀伤和诱导癌细胞凋亡效应；用富勒醇处理过的癌细胞DNA化学染色强度减弱，死细胞具有凋亡细胞的形态特点，细胞骨架严重受损，属于诱导凋亡机制。

DNA链的完整性和连续性是细胞正常生长的物质基础。C60可以和ssDNA、dsDNA或带发夹结构的dsDNA发生作用，在光照条件下，DNA链上的鸟嘌呤（G）处可发生选择性断裂，C60衍生物的这种作用给肿瘤治疗带来了新的途径【21】。

中科院纳米生物效应与安全性重点实验室2004年首次发现金属钆内包富勒烯Gd@C82(OH)22可以有效地抑制恶性肿瘤在小鼠体内的生长[22]。研究发现,具有高效低毒抑制肿瘤生长的Gd@C82(OH)22纳米颗粒,可以促进对肿瘤耐药细胞的内吞功能而有效地增加肿瘤细胞内的化疗药物有效致死浓度,通过阻断DNA遗传物质的复制进一步抑制耐药肿瘤细胞的繁殖。金属富勒烯Gd@C82(OH)22纳米颗粒独特药效学功能研究为恶性肿瘤的有效治疗开辟了一条新的治疗途径[23],也为新型纳米药物的研发和临床应用提供了科学的实验依据和理论基础。

最近,赵宇亮研究组又进一步发现金属富勒烯Gd@C82(OH)22纳米颗粒可以在基因和蛋白水平同时调控肿瘤血管新生因子的表达,通过抑制肿瘤增殖所必需的新生血管形成而阻断肿瘤的生长[24]。特异阻断肿瘤新生血管的形成也为临床治疗具有耐药性的实体瘤治疗提供了新的研究思路。

四、富勒烯及其衍生物在诊疗方面的应用研究

Wharton等[25]通过六碘丙二肽胺与富勒烯反应制成高碘化的C60分子，为血管造影创造了一种全新技术。这一技术使得废除导管注入成为可能。与普通造影剂相比，含碘富勒烯衍生物的球型结构降低了粘度，有利于随血液快速进入组织；由于含有6个碘原子，药物的用量将大大降低，减少了过敏等不良反应的发生率。

内嵌金属富勒烯有多优异的物理和化学性质，使得它们有可能成为新的诊断和治疗放射性药物。作为新的MRI对比试剂，顺磁性Gd内嵌金属富勒烯能更为有效地提高驰豫能力，碳笼保护Gd金属离子不会与外界发生化学反应，因而避免了裸露Gd离子的毒性。日本大家公司制药公司已获得Gd@C82作为MRI用造影剂的专利。Bolsker,Toth和Xenogiannopoulou等[26]还做了一项关于"Gd@C60[C(COOCH2CH3)2]10、Gd@C60(OH)X等衍生物的研究工作。作为MRI造影剂，这些化合物溶解性更好，不分布在网状内皮组织，为合成更多的富勒烯为基础的药物化合物提供了很好的方向。

李宇国等[27]运用放射性核素67Ga标记技术研究了富勒烯衍生物C60(OH）x在小鼠体内的分布和代谢。研究结果表明，标记物很快被体内各脏器和组织摄取，主要分布在骨髓、骨、肝脏和脾中，不能通过血脑屏障.其分布具有微粒特征，通过皮下或肌肉注射，有望用于淋巴显像剂或恶性淋巴肿瘤导向治疗的药物载体。

展望

综上所述，富勒烯及其衍生物在清除游离基、抗艾滋病、抑制酶活性、切割DNA、疾病诊疗等方面具有独特应用。但许多问题有待进一步深入，如如何改善富勒烯在水性生物体系的溶解性；其次是运用分子设计的方法，系统地将具特定药理功能的基团加到富勒烯分子上，研究它们的生物活性，代谢和毒性。随着对富勒烯及其衍生物的进一步研究及其在生物化学、生物医学、药物学等诸多学科领域中的应用，富勒烯及其衍生物将向人们展示其独有的和重要的学术价值和社会效益。

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