魏子媛 张晓东 何 军 刘丹阳 王 洋 沈 雷

齐齐哈尔医学院基础医学科研中心，黑龙江齐齐哈尔 161006

骨损伤问题在世界范围内变得日益严重[1]。目前，临床将骨移植手术视为骨损伤修复的“金标准”，但这种疗法存在很大局限性如：异体骨移植可能会造成免疫排斥反应，自体骨移植可能会造成二次伤害。骨组织工程将材料科学和细胞生物学相结合来修复骨损伤避免了“金标准”局限性。石墨烯族纳米材料（graphene family nanomaterials，GFNs）联合间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）是促进骨损伤修复的新技术[2-3]，但是其分子机制并不清晰。研究发现，GFNs可促进MSC 增殖或成骨分化[4-5]，但也有研究认为长时间接触GFNs 可能抑制细胞增殖或成骨分化过程[6]。目前相关研究多集中在探究正面效应，即GFNs 可促进MSC 增殖和成骨分化，但鲜有研究探索负面效应。针对这一现状，为安全地使用GFNs，本文首先综述GFNs 优越的医药学特性，随后综述GFNs 对MSC 增殖和成骨分化的影响，为骨组织工程提供理论依据以期充分发挥GFNs 的积极效应避免消极影响，从而能够指导更好地促进骨损伤修复。

1 GFNs 的医药学特性

石墨烯是碳的同素异形体，未经处理的石墨烯具有疏水性，氧化石墨烯（graphene oxide，GO）、石墨烯量子点（graphene quantum dots，GQD）、氧化石墨烯量子点（graphene oxide quantum dots，GOQD）、氧化还原石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）等GFNs 具有优越的医药学特性，使其在医学和药学领域有广泛应用。

1.1 组织工程支架

GFNs 具有良好的可塑性、生物相容性和机械特性等性能，可满足不同器官组织工程所需支架的要求，GFNs 作为纳米生物材料支架被用在多个组织工程领域，促进了骨[7-10]、皮肤[11-12]、神经[13-15]等组织的修复和再生。利用水凝胶、静电纺丝、3D 打印等技术制备GFNs 改性聚合物，从而获得富含GFNs 的纳米生物复合支架，提高了支架的黏附性、缓释药物作用，并符合人体生物力学特性。

1.2 抗菌抑菌

GFNs 可通过吞噬作用进入细菌内部或在细菌周围形成物理性隔断而营造出营养缺陷区等物理方式对细菌产生杀伤作用。因此，GFNs 作为抗菌剂成功运用在口腔医疗[16]、伤口敷料[17]、医用材料[18]等领域。伍韩雪等[19]发现石墨烯抑制白色念珠菌等真菌生长。GFNs 抗菌机制可分为：机械破坏、氧化应激、磷脂抽提、电子转移、光热效应和自杀伤效应等[20]。需要注意的是GFNs 的抗菌机制没有特异性，在杀伤细菌的同时也会损害正常细胞，因此在利用GFNs 抗菌时，建议体表或局部给予小剂量GFNs 制剂，能尽可能减少对周围正常细胞的损伤。

1.3 光学成像和光学治疗

石墨烯具有的零带隙结构表现出良好的光学特性，可用于荧光成像、光动力治疗或光热治疗等医用光学领域。在荧光成像领域，GQD 的量子点结构呈现出更优异的光学性质，易选用GQD 进行细胞荧光成像[21-24]。在光动力治疗领域，Ju 等[25]报道GQD 作为光敏剂通过光动力效应会产生活性氧（reactive oxygen species，ROS），进而破坏细胞壁，阻断细胞能量代谢而杀伤细胞。在光热治疗领域，被激光照射后的GFNs在跃迁过程中产热，利用热能灼伤相应细胞。Costa等[26]将rGO 作为光热剂，通过光热效应达到消灭乳腺癌细胞的治疗目的。GFNs 的光学特性在荧光成像方面表现出巨大的潜能，GQD 吸收光谱广，使用近红外二区光照射GQD，能够被激发产生荧光量子产率极高的共振荧光。GQD 标记配体作为荧光探针与相应受体结合后实现细胞或动物靶向成像的作用。这种GFNs 光学成像技术在疾病诊断、靶向治疗或研究药物代谢过程、观察细胞分布等众多医药领域具有广泛的应用潜力，也是创造GFNs 经济价值的重要领域。

1.4 药物输送载体

研究表明，GFNs 的低细胞毒性和有效排出体外特点，保证了使其具有良好的生物相容性。氧化石墨烯具有两亲性：中间的环氧基、羟基和π-π 键，可顺利地与脂溶性药物连接；碳环边缘的羧基和羰基具有亲水性，可与水溶性药物连接。纳米级石墨烯量子点比表面积大，可负载大量脂溶性或水溶性药物[27]。GFNs 对周围环境酸碱度具有敏感响应性，酸碱度在中性条件下GFNs 载药负载量最大；若在酸性条件下GFNs 呈现释放所载药物特点，保证了局部使用GFNs可达到缓释药物，持续作用的良好效果[27-29]。此外，GFNs 还能够精准地被肿瘤细胞摄取而实现靶向性治疗[28-29]。因此，GFNs 是制药行业前景巨大的药物输送载体。

2 GFNs 对MSC 的影响

MSC 具有多系分化的潜能，在体内或体外诱导条件下，可分化为脂肪、骨、软骨等多种组织细胞。骨组织工程中可利用GFNs 联合MSC 的方法修复骨或软骨等硬组织损伤。

2.1 GFNs 对MSC 增殖和成骨分化影响的研究

GFNs 类型、浓度以及作用时间等因素都影响MSC增殖或成骨分化过程，GFNs 对MSC 增殖或成骨分化影响表现为“促进或抑制”的双重效果。Yang 等[30]实验结果显示，GOQD 促进MSC 增殖和成骨分化效应优于GO。Wang 等[31]实验结果显示，双氢氧化物石墨烯量子点（LDH-GQD）在第72 h 促进MSC 增殖的效果最好，在第14 天明显促进MSC 成骨分化。Yang 等[32]利用细胞周期、CCK-8、细胞凋亡等实验证明50 μg/ml GOQD 是作用于MSC 的安全界限，如果GOQD 高于此浓度则明显抑制MSC 增殖或成骨分化，反之则促进MSC 增殖和成骨分化。Li 等[33]学者也发现10 μg/ml GOQD 短时间内会明显促进MSC 增殖和成骨分化。Geng 等[34]实验结果显示，被表面携带中性或负性电荷的石墨烯量子点作用的MSC，随着作用时间的递增，MSC 成骨分化能力逐渐降低。研究提示，高浓度GFNs或长时间作用于MSC 可能会产生不良反应。虽然各研究文献的实验指标不同，但可以认为被表观修饰的不同类型石墨烯对MSC 增殖和成骨分化影响不同。50 μg/ml GFNs 浓度似乎是安全阈值，小于此浓度的GFNs 作用于MSC 似乎是安全的，若GFNs 高浓度或长时间作用于MSC，则可能会产生抑制增殖和成骨分化的不良影响，其机制还需要深入揭示。

2.2 GFNs 对MSC 增殖和成骨分化影响的分子机制

GFNs 如同一把双刃剑，既能促进也会抑制MSC增殖和成骨分化。促进效应的分子机制主要观点包括MSC 表面存在大量整合素受体，这类受体为力敏感类型，当MSC 与GFNs 接触后，整合素上β 亚基结构发生变化，通过踝蛋白等衔接蛋白介导而激活黏着斑激酶，完成生物力化学信号转导，随后上调下游与细胞增殖和成骨分化的相关通路[35]。此外，短时间或低浓度GFNs 在MSC 内会产生ROS，当细胞内抗氧化系统失衡时，MSC 处于氧化应激状态，随后不能被抗氧化系统清除的ROS 会作用于线粒体而产生线粒体自噬现象，溶酶体降解损伤的线粒体细胞器为MSC 提供营养和ATP，促进MSC 增殖和成骨分化[36-37]。GFNs对MSC 发挥抑制效应的可能机制包括高浓度或长时间接触GFNs 产生的大量ROS 破坏氧化还原系统，抑制能量代谢或损伤DNA 遗传物质，造成细胞非程序性损伤、细胞凋亡、自噬性死亡及铁死亡等过程，产生细胞毒性。深入研究GFNs 的安全性能，是如何正确使用GFNs 的关键环节。

3 展望

GFNs 凭借优越的组织工程支架、抗菌抑菌、光学成像、光学治疗和药物输送载体等医药学性质被广泛用到骨组织工程领域。为了更好地阐明GFNs 对MSC的影响，应利用高通量测序、代谢组学等技术揭示不同浓度、不同作用时间或不同表观修饰的石墨烯对MSC 基因组学影响；同时开展材料学、高分子化学、组织工程学、医学、药学等多学科联合研究，利用大动物开展动物模型实验，深入揭示GFNs 对人体的生物学影响和分子机制，以找到GFNs 的安全使用条件，扩大其应用范围。