“明星分子”富勒烯具有抗氧化活性和细胞保护作用、抗菌活性、抗病毒作用、能够用于负载药物和肿瘤治疗，但富勒烯本身具有强烈的疏水性，在极性溶液中的溶解度很低，难以在生理介质中直接使用，且富勒烯在一些特定环境下可以引起细胞的凋亡，从而限制了其在生物医学中的应用。

 

富勒醇是富勒烯的水溶性羟基化衍生物，其主体结构同富勒烯，因而继承了“明星分子”富勒烯的几乎所有优异性能。然而，对于富勒醇的研究却起步不久。1992年，Naim和Shevlin[1]首次报道了在真空条件下加热混有过量氢氧化钾（KOH）固体的C60/C70甲苯溶液生成富勒醇C60(OH)n沉淀物；国内，1996年孙大勇等发表了类似的富勒醇制备方法，在氮气保护下向C60甲苯溶液加入过量钾片，生成的黑色沉淀经水解制得棕黑色水溶性富勒醇溶液。然而，早期制备的富勒醇结构很不稳定，在光照、加热下容易脱去羟基，水溶性迅速下降，Naim等则认为多羟基的富勒醇升高温度下充入氧分子（O2）会生成聚氧化的分解产物，而在室温条件下，加入的氧分子（O2）还能提供低能量路径使富勒醇恢复至富勒烯（参见图1）。

 

图1  水溶性富勒醇的生成和O2的影响

 

随着研究的深入，富勒醇的稳定化结构很快被人们发现和确认。1998年，台湾学者Bo-Cheng Wang等首次发现C60(OH)6和 C60(OH)12具有最低的能量结构，结构最为稳定。2002年浙江大学朱浙英等用INDO系列方法研究C60(OH)88种异构体的结构和光谱,探讨羟基不同加成位置对异构体稳定性的影响,表明8个羟基以1, 2—加成方式加在C60的五元环与六元环相邻棱上所得的异构体最稳定。

 

在明确富勒醇结构和稳定性的基础上，人们进一步发现在富勒烯的碳原子上引入羟基，不仅改善了水溶性，同时极大地提高了其生物相容性，降低了细胞毒性，改变了富勒烯无法应用于生物医学领域的弊端，近20年的研究表明，富勒醇在肿瘤治疗、神经保护、抗细胞氧化、药物载体、免疫调节等多个方面都具有很高的应用价值。

 

1  发展现状

 

1. 文献数量分布和增长情况

 

自富勒醇被成功合成之后的近30年间，国内外对其的关注度不断提高，最大的热潮兴起于2010年后，文献数量几乎达到之前总量的2倍（参见图2）。

 

(a)国内外文献数量分布

 (b)年代间文献增长情况

图2  富勒醇文献数量分布和增长情况

 

从图2中文献数量分布情况不难看出以下3点：①总体数量不高，中英文专利申请量均未超过100，最高的外文期刊数量也未过千；②专利申请数量明显低于非专利发表量；③中文期刊（又称“中文非专利”）数量明显落后于外文期刊（又称“外文非专利”）。究其原因，无外乎以下：①富勒醇为新兴材料，人们对其结构、性能的认知刚刚经过起步阶段，许多未知领域尚待探索，文献数量的增长还未到达爆发点；②专利申请偏重应用，在其产业化尚不成熟的阶段，专利申请也才刚刚起步，数量上更加落后于非专利显而易见；③富勒醇属于新物质的发现，研发起点较高，因而在国外影响因子较高的期刊上容易被发表，例如2004年日本学者Husebo在顶级期刊JACSS上发表了富勒醇作为稳定化的自由基阴离子的论文。

 

2.主要研发机构

 

由于外文期刊的数量远超专利和中文期刊，因此本文主要以外文期刊研发机构的分布数据作为研究的基础。通过对ISI更新至2018年12月31日前的数据（共797件）进行数据分析得到以下结果（参见图3）。

 

图3 基于外文期刊的国内外研发机构文献数量占比

 

从图3不难发现，目前对于富勒醇的研发机构相对分散，并没有出现真正的行业垄断者，文献数量占比最高的“中国科学院”也仅为21%（百分比为中文全称和其简称的百分比的加和），排名前4的机构所发文献的数量总和占比也仅为37%。这预示着对于富勒醇的研发依然存在大量的空白领域，还留有大量机会等待后来者的加入。

 

值得重视的是，在排名前4的研发机构中，来自中国大陆的机构占到了2席，分别是“中国科学院”（排名第1）和“中国科学院高能物理研究所”（排名第4），加和总量占到了全部文献数量的26%，可见中国科学院系统在富勒醇的研发上已然处于世界领先水平，中国研发团队在该领域的持续发力值得期待。

 

对比中外文专利和中国期刊在主要研发结构上的检索分析结果（参见表1），完全可以作为平行证据证实以上结论的可靠性。

 

表1  基于中外文专利和中文期刊的国内外研发机构文献量排名

排名	1	2	3	4	5
中文专利	国家纳米科学中心	中国科学院高能物理研究所	中国科学院化学研究所	中国科学院上海应用物理研究所	苏州大学
外文专利	威廉马歇尔莱斯大学	列宁格勒创新研究所	中国科学院上海应用物理研究所	中国科学院化学研究所	中国科学院高能物理研究所
中文期刊	北京理工大学	中国科学院高能物理研究所	中国科学院上海应用物理学研究所	青岛科技大学	国家纳米科学中心

 

2  在生物医学领域的应用

 

在生物医学领域，关于富勒醇的研究热点主要集中在对于肿瘤的抑制和对癌症的治疗上，极具新颖性的应用还包括心梗的治疗、抗辐射以及疫苗制备，各个应用领域的文献分布情况如表2所示。

 

表2  富勒醇在生物医学领域的文献分布

 

 

 

 

 

应用领域	肿瘤的抑制和癌症治疗	心梗治疗	抗辐射	疫苗制备
文献数量*/件	107	35	1	1
*：其中文献总量基于外文期刊数量。

 

 

 

 

 

 

2.1  肿瘤抑制和癌症治疗

 

2.1.1负载抗癌药物

 

印度学者Thotakura等将富勒醇—天冬氨酸衍生物作为负载多硒紫杉醇（抗癌药物）的载体，研究结果发现，相较于纯的多硒紫杉醇，用富勒醇衍生物负载的药物粒子的生物相容性提高了5.8倍，细胞毒性降低了4.3倍，负载药物的纳米结构与红细胞相容并提供降低的蛋白质结合，由此能够提供一种具有增强药物功效和安全性的新型载体。

 

塞尔维亚学者Jovic等研究了负载阿霉素（抗癌药物）的富勒醇纳米粒子对肿瘤抑制及细胞毒性上的影响，研究发现，该负载纳米粒子中富勒醇与阿霉素之间为非共价键，仅通过分子间极性相连（参见图4），与相同浓度的纯阿霉素相比，显着降低了MCF—7和MDA—MB—231细胞（癌细胞）的活性，且通过富勒醇的负载，阿霉素的身体吸收量增大，能够作为细胞内靶向载体制备抗癌药物。

 

图4 阿霉素和富勒醇之间非共价键连接示意图

 

此外，富勒醇除了抗肿瘤活性外，由于分子具有强烈的吸电子还原特性，使其能够清除生物体中的活性氧等自由基，拮抗氧化应激引起的细胞损伤，因此还能作为保护剂降低传统抗癌药物对机体的损伤。斯洛文尼亚学者Potočnik等研究发现富勒烯醇预处理后的阿霉素能够降低药物诱导产生的心脏毒性，对人体具有保护作用。

 

在国内方面，国家纳米科学中心的陈春英等制备得到了一种负载有盐酸阿霉素的纳米粒子，所述纳米粒子具有核壳结构，所述内核由富勒醇构成、所述外壳为聚乙二醇—聚乳酸—聚羟基乙酸嵌段聚合物，在富勒醇内核的表面负载有盐酸阿霉素。该纳米粒子粒径合适，能够实现盐酸阿霉素的缓慢释放，释放曲线平稳，接近线性释放，相较于传统的以聚合物胶束作为药物载体或者不使用载药体系的治疗方法，稳定性高，负载量高，在血清中纳米粒子粒径2周内没有明显的变化，同时还发现使用该纳米粒子作为载体能够有效防止因药物突释造成的毒副作用和心肌细胞损伤。

 

2.1.2直接作为抗肿瘤药物使用

 

2005年，中国科学院高能物理研究所就金属富勒醇Gd@C82 (OH) 22在制备抑制肿瘤生长的药物中的应用提出了一项新的发明专利，提出了一种对肿瘤实施“监禁”的新理论，并在2012年分别被美日欧授予了发明专利权，但在中国未被授权。

 

在该理论提出之前，具备特定肿瘤抑制性的富勒醇具体化合物种类尚属空白，而在上述专利提出的十几年间，诸多关于富勒醇在抗癌方面的具体化合物种类和新的应用被逐渐发现和发表，掀起了富勒醇研究的新高潮。

 

上述发明专利及其相关发表论文提出富勒醇〔目标化合物为Gd@C82(OH)22〕本身“不杀死”肿瘤细胞，但可以促进肿瘤组织周围形成厚纤维层，把肿瘤组织包裹其中，实现对肿瘤的“监禁”，阻断肿瘤转移（图5所示）；同时Gd@C82 (OH)22细胞毒性低，生物相容性好，相较于传统化疗药物对人体伤害小。上述效果主要是通过以下2方面途径得以实现：①抑制基质金属蛋白酶（MMPs）、阻止细胞外基质的降解；②Gd@C82 (OH)22分子作为胶原分子间的“桥梁”，促进胶原分子交联，加固细胞外基质。

 

图5  Gd@C82 (OH)22 “监禁”、抑制肿瘤生长与转移

 

除去以上需要负载金属（选自Gd，La等稀土金属）才能起到抗癌作用的富勒醇，不负载金属的富勒醇，即纯粹的富勒醇同样具备抗癌效果。Chengdu Sun等发现在癌细胞的扩展过程中常发生血管生成，而C60(OH)22纳米粒子能够抑制血管生成，从而阻止癌细胞的侵袭和包围；YangLiu等将SMCC—7721癌细胞用富勒烯醇〔C60(OH)24〕处理24h、48 h和72h后，使用原子力显微镜（AFM）进行观察，发现C60(OH)24能够显著降低SMCC—7721肿瘤细胞的弹性模量，在弹性模量降低的同时还伴随着细胞形态的改变，细胞形态由原本的多边形转变为圆形；细胞刚性降低伴随肌动蛋白纤维瓦解。国内，青岛大学医学院和青岛科技大学的沈方臻等采用C60(OH)n/C70(OH)n的富勒醇和氟尿嘧啶对小鼠移植性肝癌的生长的抑制作用进行平行试验，发现富勒醇对小鼠移植性肝癌的生长具有明显的抑制作用, 且毒性较氟尿嘧啶小。

 

2.1.3小结

 

当将富勒醇应用于肿瘤抑制和抗癌领域时，一种思路是将富勒醇或其衍生物作为载体或靶向载体，负载传统抗癌药物制备载药纳米粒子；另一种思路是将金属富勒醇或纯粹的富勒醇直接作为抗癌药物使用。不论采用哪种方法，所得到的样品均具有明显的肿瘤细胞抑制性和低毒性，与传统的化疗药物和靶向药物相比，克服了传统化疗药物毒性高、副作用大；靶向药物研发成本高，价格贵的缺陷，有望成为新一代的肿瘤抑制剂用于研发抗癌新药。

 

2.2 其他生物医学应用

 

2.2.1心梗治疗

 

单纯干细胞移植治疗心肌梗死领域，目前已有多种基于多糖和蛋白质的生物相容性水凝胶在心肌组织工程中得以广泛应用，其可在一定程度上提高干细胞在体内的滞留率和存活率、进而促进受损组织的修复并改善心脏的功能。但是在设计时均为从心肌梗死的生理和病理微环境特征入手，缺乏主动清除心梗微环境中过多氧自由基(ROS)的能力，使宿主和移植细胞的活性受到很大的影响。同时缺乏导电性的本质也使其无法实现细胞间的电活性连接，使其与宿主之间的整合能力较差，影响对受损心肌的修复作用。

 

中国人民解放军军事医学科学院的王常勇等制备了一种由海藻酸和富勒醇复合的可注射性水凝胶，该水凝胶具有优异的可注射性和机械强度以及良好的生物相容性，更为重要的在氧自由基微环境下，富勒醇的引入可明显减小棕色脂肪来源干细胞细胞间或细胞内ROS，减少或避免细胞的氧化应激损伤，通过调控MAPK家族信号通路和相关蛋白的表达促进BADSCs，促进受损心肌组织的修复并改善心脏的功能从而治疗心梗。在可注射性心肌组织工程中具有潜在的应用前景。

 

2.2.3抗辐射

 

苏州大学的许玉杰等使用生物材料（混合类脂，即液态脂质与固态脂质混合的混合物）为载体，将富勒醇包裹起来，在其表面连接与核受体具有高度亲和力的雌激素类似物制备细胞核靶向富勒醇硬脂质纳米粒，该物质能够通过多种生物屏障和核膜，高效率地载带富勒醇到细胞核内，打破了传统药物只能针对细胞膜提供保护的限制，发挥其强大的清除自由基能力，从而实现对靶分子DNA的辐射防护的作用。

 

Sanja Trajkovic等将富勒醇和传统辐射保护剂amifostine（氮磷斯丁）共同用于抗辐射研究，血液学结果表明，富勒醇比氮磷斯丁更能阻止辐射诱导的白细胞计数减少，特别是在照射后的前7天。病理组织学检查显示，与在脾脏，小肠和肺部的氮磷斯丁相比，富勒醇具有更好的辐射防护作用；而在心脏、肝脏和肾脏中，氮磷斯丁依然具有更好的辐射保护作用。由此证实了富勒烯醇具有令人满意的辐射防护功效，和作为辐射防护剂使用的潜力。

 

2.2.4疫苗制备

 

国家纳米科学中心的陈春英等发现传统的疫苗用铝佐剂在一定程度上抑制了机体的细胞免疫水平，同时其在注射部位能引起一定的炎症和过敏反应；而富勒烯衍生物C60OxHy作为疫苗佐剂可提高机体的细胞免疫和体液免疫水平，同时可减少抗原的使用剂量或减少免疫次数；安全性好，对注射部位无明显的刺激作用；具有抗氧化和清除自由基的功能，在充当免疫佐剂的同时，还可能提高机体抗氧化的防御能力，使机体维持稳态。适用于制备艾滋病病毒疫苗、乙型肝炎病毒疫苗和人乳头状瘤病毒疫苗等重大传染病疫苗。

 

Ligeng Xu等则发现除传统的疫苗佐剂外，可以将富勒醇纳米颗粒设计为形貌类似HIV—1病毒的双功能纳米佐剂，能同时吸引HIV—1的DNA和活化主体的免疫系统（作用机理参见图6），产生非常强的免疫反应并且具有对抗HIV—1DNA的高的传输能力，有望成为对抗HIV病毒的新型无毒纳米佐剂。

 

图6 富勒醇作为潜在调节剂的作用机理

 

2.2.4皮肤修复、止血微球和医用海绵

 

具有新颖性的代表不仅包括以上提及的心梗治疗、抗辐射剂以及疫苗佐剂，还包括皮肤修复、止血微球和医用海绵等。

 

陈春英等以聚乳酸—羟基乙酸和/或聚己内酯与任选的胶原蛋白以及多羟基富勒醇纺丝成膜。该纺丝膜具有良好的机械性能、生物相容性，对正常细胞无明显的细胞毒性，提高其中所负载的多羟基富勒醇的抗氧化能力，具有抵抗氧化损伤、药物缓释的功能，用于制备皮肤氧化损伤或皮肤修复用的材料。

 

甘少磊等将富勒醇与天然高分子（淀粉）复合制备止血微球，既具有良好的止血性能，又具有清除自由基，减少伤口愈合过程中色素沉积的作用；此外，甘少磊等[27]还以富勒醇为引发剂，与丙交酯、乙交脂、ε—己内酯合成生物可降解高分子材料，通过冷冻干燥技术加工成医用海绵，具备优良的渗液吸收性能、机械性能和可降解性能。

 

3  除生物医学外的其他应用

 

基于富勒醇本身独特的物理化学性质，富勒醇在生物医学之外的其他领域也得到了创造性应用，包括但不仅限于促进毛发生长、预防和治疗龋病、无菌培养基、涂料、发动机冷却液等。

 

中国科学院化学研究所王春儒等公开了水溶性富勒烯衍生物在促进毛发生长和治疗脱发中的应用，所述水溶性富勒烯衍生物为富勒醇和/或金属富勒醇，其中的羟基数目为15～35。

 

刘宝刚等公开了一种包含富勒醇及其衍生物的预防和治疗龋病的口腔护理组合物。

 

梁太波等公开了用碳纳米材料（包括富勒醇）制备无菌培养基的方法，由此制备的培养基中无菌落出现，除菌效果良好。

 

吴瑛公开了将富勒烯(或富勒醇)和电气石组合制备干粉涂料，能够释放负离子及抑菌效果。

 

朱海涛等公开了一种发动机冷却液，该冷却液中的富勒醇和有机酸缓蚀剂协同作用，对金属具有理想的防腐效果。

 

4  结语

 

羟基化改性后的富勒醇，不仅继承了明星分子富勒烯的原有优势，还改善了富勒烯的水溶性、生物相容性，大大降低了其毒性，从而打破了富勒烯不能应用于生物医学领域的限制，在肿瘤抑制和癌症治疗、心梗治疗、抗辐射和疫苗制备等热门领域获得了崭新的生命力。

 

作为一种新型衍生物，中国科学家在以上热门领域中的研发已经走在世界前列，例如中国科学院高能物理研究所关于金属富勒醇Gd@C82(OH)22在制备抑制肿瘤生长的药物中的新发现，与传统化疗药物相比，用量小、肿瘤抑制率高、毒性低、对身体损伤小，这对于无法承担靶向药的高价格，同时不堪忍受放化疗毒副作用的病患无疑带来了福音；中国人民解放军军事医学科学院基础医学研究所将海藻酸-富勒醇复合水凝胶用于单纯干细胞移植诱发心肌梗死的治疗，国家纳米科学中心将富勒醇作为能够对抗HIV病毒的疫苗佐剂的新发现，国内外均尚属首例。

 

事实上，凭借优异的生物相容性、能够清除自由基的抗氧化性、透膜活性以及独特的形貌，科学家们有足够动机用富勒醇替换在生物医学领域许多常规的药物和制剂，并将其应用于人们生产生活的各个领域。

 

然而，目前人们对于富勒醇的结构改性、清除自由基和抗癌机理、在生物医学领域的治疗效果的认知依然有限，剩余的研发空间体量依然很大。有志于此的后来者们所面临的不仅仅是巨大的机遇，还有不低的风险和挑战。

 

文/李凌

国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心