基于自发荧光特性系统探索PEG修饰的氧化石墨烯体内过程及生物安全性

The functionalized nano graphene oxide (FNGO) has good drug / gene loading and near infrared absorption capacity. The material itself also has an excellent therapeutic effect on tumor photothermal therapy. However, the current study of the biological safety of FNGO is mainly reflected in the cell level. As for animal model, it is not thorough enough. The pathway of its body excretory is not clear, which seriously hampers the application of FNGO in the field of biomedicine. This project is proposed to revolve around this scientific issue. Firstly, NGO is modified with polyethyleneglycol (PEG) to obtain PEG-NGO, and meanwhile PEG-NGO with an average particle size of about 50, 100, and 200 nm are prepared by gradient centrifugation respectively. Secondly, based on the autofluorescent property of PEG-NGO in the visible or near infrared region, Sprague Dawley (SD) rats is used for the animal model of the study, and they are single-administrated with high, medium, and low dose of different size of PEG-NGO respectively by intravenous injection. The absorption, pharmacokinetics, and biodistribution of PEG-NGO in SD rats are explored accurately and efficiently using molecule imaging technique.This project aims to provide experimental foundation and theoretical basis for further application of PEG-NGO in the fields of biomedicine.

功能化纳米氧化石墨烯（FNGO）具有良好的药物/基因装载和近红外光吸收能力，并且材料自身表现出良好的肿瘤光热治疗效果。然而，目前对FNGO生物安全性认识主要体现在细胞水平，体内研究不够系统和深入，排泄途径尚不清楚，严重阻碍了FNGO在生物医药上的应用。本项目围绕这些科学问题，首先合成聚乙二醇修饰的纳米氧化石墨烯（PEG-NGO），利用梯度离心法制备平均粒径分别约为50、100和200 nm的PEG-NGO。然后，基于PEG-NGO在可见光或近红外波段可自发荧光的特性，以SD大鼠为实验动物模型，通过静脉注射途径，对大鼠分别在不同粒径、高中低三种剂量单次给药条件下，结合分子影像技术精准高效地测试其在大鼠体内的吸收、药代、生物分布，阐明其排泄途径。预期成果可为PEG-NGO在生物医药领域的应用提供实验基础和理论根据。

纳米氧化石墨烯（NGO），作为一种二维的碳纳米材料，有超大的比表面积和优异的光热性能，含有大量的活性化学基团，比如羧基、羰基、羟基和环氧基等，既容易对其进行生物化学功能化，又使其具有很好的生物相容性，已成为纳米医学领域中备受关注的研究热点。到目前为止，功能化的NGO和NGO在生物医学方面的应用表现出很大的潜力，应用范围已经涉及到生物传感器、肿瘤显像和治疗（药物输送和基因转染）等。然而，目前对功能化的NGO生物安全性认识主要体现在细胞水平，体内研究不够系统和深入，严重阻碍了功能化的NGO进一步得临床转化和应用。本项目围绕这些科学问题，首先分别通过至上而下的Hummers法和至下而上的热解柠檬酸法制备了NGO，并利用碳二亚胺法进行PEG功能化修饰NGO（NGO-PEG），通过一系列的性能测试表征考察了NGO及PEG功能化的NGO的形貌尺寸、表面电势、荧光特性和生理环境中的稳定性。基于NGO-PEG自身优异的荧光特性，进行了体外摄取、药代动力学和药物组织分布实验，研究其体内外吸收、药代、生物分布情况，同时通过对注射SD大鼠血液的血常规和生化检测、溶血实验以及离体组织器官H&E染色研究其体内生物安全性。研究表明，两种方法制备的NGO与PEG功能化NGO均呈现具有横向尺寸在50-100 nm范围内、厚度在1 nm左右的薄片层形貌，其中热解柠檬酸制备的NGO及其PEG功能化修饰物均具有优异的荧光性能，表明了利用其自身荧光特性应用于体内、外过程检测的可行性。NGO-PEG具有在生理环境中的稳定性。此外，NGO-PEG对L02、HeLa、4T1和A549细胞的活性基本无影响，在体内循环中具有较长的血液循环时间，NGO-PEG的快分布相半衰期和慢分布相半衰期分别为2.68±0.26 h和21.70±0.46 h，曲线下面积（AUC0-t）为192.28±10.13 mg·h/mL，清除率为23.19±0.41 mL/h，表明了NGO-PEG具有较长的血液循环时间，组织分布主要在SD大鼠的肝脏和肾脏中聚集，并随着循环时间的延长可以完全从体内清除，同时又对组织器官无明显的毒副作用。本项目研究成果可为NGO-PEG在生物医药领域的应用提供实验基础和理论根据。