石墨烯衍生物对药物导致的磷脂质病的影响

Graphene derivatives have been used as ideal vectors for drug delivery, and drug can be absorbed by tissue and cells through graphene. However, some cationic amphiphilic drugs were found to introduce phospholipidosis (PL), characterized as the accumulation of intracellular phospholipids and drugs in the lysosome forming lamellar bodies (LB). It is still not known if nanomateirals are able to introduce PL, or exacerbate drug induced PL (DIPL). However, people found that most of the nanomaterials were found to be retained in the cells with difficulty to be removed. Therefore, it is possible that drugs may be included together with nanomaterials in the lysosome, leading to more severe PL. Macrophage cell lines, hepatic cell line, and primary hepatocytes will be treated with functionalized graphene followed by observation in transmission electron microscope, fluorescence labeling, and investigation by molecular biology method, aiming to find the possibility of whether graphene can introduce phospholipid accumulation and formation of LB. In addition, the procedure of adsorption between graphene and phospholipid/drugs will be also studied using physicochemical characterization and molecular dynamics method. Through graphene, this research plan is to initiate a challenging topic in drug safety area that severe DIPL and drug accumulation in vivo could be a concern when nanomaterials are used as vectors for drug delivery.

石墨烯衍生物被认为是在体内进行的理想药物运输载体，药物可以通过石墨烯被组织及细胞吸收。然而，一些阳离子两亲性药物会导致大量磷脂沉积在胞内溶酶体中，形成片层体状结构，并使药物滞留在细胞内，导致磷脂质病。目前尚不清楚纳米材料是否会导致磷脂质病的发生，或者加剧药物诱导的磷脂质病，但研究表明，很多纳米材料会滞留在细胞内难以外排。因此，药物将很可能随着作为载体的纳米材料长期包裹在溶酶体中，导致更严重的磷脂质病。本研究以功能化的石墨烯为纳米材料对象，利用巨噬细胞及肝细胞系，采用电镜、细胞荧光标记、及分子生物学手段，查看石墨烯是否会导致磷脂片层体在细胞内的积累，或是否增强药物诱导的磷脂质病。另外，将利用物化表征方法及分子动力学模拟研究磷脂及药物在石墨烯上的吸附过程。本研究通过对石墨烯为研究对象，起始了一个具有挑战性的话题——纳米材料作为药物载体，有导致严重的磷脂质病及药物在组织中长期滞留的可能。

药物在体内的积累、代谢及其带来的不良后果，是药物安全性评价中的重要部分。近十年来纳米载药技术日新月异，并可见潜在的临床应用；然而，纳米载药是否会加重药物在体内的蓄积，从而导致更严重的药物副作用？本研究以药物诱导的磷脂质病（Drug Induced Phospholipidosis，DIP）为药物毒性模型，利用聚乙二醇修饰的石墨烯（PEG-GO）作为纳米载药体系，从各方面检测并验证纳米载药系统是否进一步增加了DIP。利用荧光磷脂NBD-PE，我们发现抗癌药它莫昔芬（TAM）可以引起NBD-PE在HepG2中积累；当使用PEG-GO装载TAM后，其进一步加重TAM引起的NBD-PE积累。另外，相比于游离的TAM，PEG-GO装载TAM进一步的引起具有DIP相关的分子细胞水平变化，包括：（1）电子显微镜下的层状小体，即磷脂进一步的积累；（2）磷脂积累表现出缓慢而强劲的效应；（3）药物去除后，磷脂的消退呈现出更加缓慢的态势；（4）DIP标志基因的变化；（5）溶酶体数量的增加；（6）DIP的蛋白标记物LAMP2的增加，LAMP2与NBD-PE共定位增加。除此以外，我们发现不仅仅是TAM，胺碘酮（抗心律失常）、酮康唑（抗真菌药）、氯丙嗪（精神病治疗）、阿密曲替林（抗抑郁药）、氟西汀（百忧解）等常见临床药物在PEG-GO载药后，都呈现出更严重的磷脂积累，预示着纳米材料作为载体加重DIP具有一定的普遍性。由此，我们将其研究成果发表在Toxicological Sciences 2017, 156:39-53；近期我们还发现硅纳米载药进行胺碘酮载药后，也会引起DIP的进一步增强。随后，我们与美国NIH夏孟杭小组合作，跟进了他们从含有1280个小分子药理活性成份库（LOPAC）中筛选的能导致磷脂积累的22种小分子。我们将这22种药物分别用PEG-GO载药，并研究其相比于游离药物，是否进一步促进了DIP。最终，我们筛选出Ifenprodil以及其它数种小分子药物进行PEG-GO载药后，会强烈增强DIP；然而，也并非所有的药物进行了纳米载药后都能有这样的效应。Ifenprodil的纳米载药增强DIP的效应在HepG2、小鼠肝脏原代细胞及细胞球中得到进一步验证。研究结果还在继续，但纳米载药的确会增加DIP，而这种效应取决于药物及载体两方面。