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为解决紫杉醇（PTX）溶解度差、体内分布非特异性等问题，研究人员开展了 PTX 在功能化还原氧化石墨烯（rGO）表面吸附机制的研究。结果表明功能化 rGO 能增强 PTX 吸附，不同基团影响各异。该研究为优化药物递送系统提供依据。
在抗癌治疗的战场上，紫杉醇（Paclitaxel，PTX）本是一员 “猛将”，凭借其强大的抗癌能力，成为了化疗药物中的佼佼者。然而，它却有着 “致命弱点”—— 溶解度差，在体内像个 “没头的苍蝇”，分布毫无特异性。这不仅导致它的治疗效果大打折扣，还会引发严重的副作用，就像一颗威力强大但准头不足的炮弹，在打击癌细胞的同时，也对正常组织造成了不小的伤害。
为了给紫杉醇找到更好的 “作战策略”，来自沙特阿拉伯海勒大学（University of Ha’il）的研究人员踏上了探索之旅。他们将目光聚焦在氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）身上，这是一种从石墨烯衍生而来的神奇材料，拥有大表面积、出色的机械强度和高生物相容性等优点，就像一个性能卓越的 “运输平台”。研究人员想看看，通过对氧化石墨烯进行功能化改造，能否让它成为紫杉醇的理想 “座驾”，精准地将药物送到癌细胞身边，同时提高药物的疗效。
这项研究成果发表在了《Scientific Reports》上，为抗癌药物递送领域带来了新的曙光。
研究人员主要运用了两种关键技术方法：一是密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算，它就像是一个 “微观探测器”，能够深入到分子层面，计算电子性质、吸附能和分子几何结构等，帮助研究人员了解紫杉醇与功能化氧化石墨烯之间的相互作用机制；二是分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟，通过模拟药物 - 纳米载体复合物在溶液中的动态行为，如同给研究人员装上了 “时间显微镜”，可以观察到复合物随时间的构象变化和相互作用，全面了解药物的稳定性和释放动力学 。
研究结果
- PTX 的分子特性：研究分析了 PTX 的分子结构和电荷分布，其分子静电势（MEP）表面显示出独特的电荷分布特征，存在明显的负电位区域，这意味着它能与带正电的生物靶点产生有利的静电相互作用，从而在药物递送系统中发挥作用。同时，研究还给出了 PTX 分子的各种键长和键角数据，这些数据为深入了解其分子几何结构和化学性质提供了基础12。
- 功能化 rGO 的电子特性：对分别含有羟基（-OH）、羧基（-COOH）和磺酸基（-SO）的功能化 rGO 进行研究，发现功能化显著改变了 rGO 的电子性质。例如，rGO - OH、rGO - COOH 和 rGO - SO 的带隙、偶极矩等电子性质都有所不同，且这些功能化 rGO 的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）分布表明，功能化增加了 rGO 表面的电子密度，增强了其与药物分子的相互作用34。
- PTX 与功能化 rGO 的相互作用
- 吸附能与作用方式：计算 PTX 在不同功能化 rGO 表面的吸附能发现，PTX 与 rGO - OH、rGO - COOH 主要通过氢键等弱相互作用发生物理吸附，吸附能分别为 - 0.76 eV 和 - 0.91 eV；而 PTX 与 rGO - SO 则通过更强的共价相互作用发生化学吸附，吸附能高达 - 2.09 eV。这表明磺酸基功能化的 rGO 对 PTX 具有更强的结合能力12。
- 电子相互作用与电荷转移：通过分析 HOMO 和 LUMO 分布以及电荷转移情况，发现 rGO - COOH 和 rGO - SO 系统与 PTX 之间存在显著的电荷转移，分别为 - 0.16e 和 - 0.08e，这增强了 PTX 与功能化 rGO 表面的电子耦合，对药物负载效率和释放动力学有积极影响58。
- 溶剂效应与 pH 影响：考虑溶剂效应后，发现 PTX 在功能化 rGO 表面的吸附能在水和乙醇等溶剂中略有增加，说明溶剂能稳定 PTX - rGO 复合物。此外，pH 对吸附行为影响显著，在不同 pH 条件下，功能化基团的质子化状态改变，进而影响 PTX 的吸附能和相互作用性质67。
- 复合物的稳定性与动力学：MD 模拟结果显示，PTX@rGO - OH 复合物的均方根偏差（RMSD）在 10 ps 后稳定在 2.5 - 3.0 ? ，结构最为稳定；PTX@rGO - COOH 和 PTX@rGO - SO 则波动较大。同时，电荷波动分析表明，PTX@rGO - OH 的电荷波动最小，电子状态最稳定，而 PTX@rGO - SO 电荷波动最大113。
- 光学性质与光疗潜力：研究 PTX 和功能化 rGO 复合物的光学吸收特性发现，功能化 rGO 系统，尤其是 PTX@rGO - COOH 和 PTX@rGO - SO，表现出增强的紫外线（UV）吸收能力和更宽的光谱范围，这使它们在光疗和靶向药物递送应用中极具潜力910。
研究结论与讨论
这项研究详细揭示了紫杉醇在功能化还原氧化石墨烯表面的吸附机制，充分展示了表面功能化在提升 rGO 作为纳米载体用于药物递送疗效方面的关键作用。不同功能基团，如羟基（-OH）、羧基（-COOH）和磺酸基（-SO），对 PTX - rGO 复合物的吸附能、电荷转移特性和稳定性有着显著影响 。
从吸附能来看，磺酸基功能化的 rGO 与 PTX 的结合最强，为设计高效的药物递送系统提供了重要依据。电荷转移分析表明，功能化不仅促进了吸附，还改变了系统的电子结构。MD 模拟进一步揭示了不同复合物的稳定性差异，为理解药物在体内的行为提供了参考。此外，光学性质研究发现功能化 rGO 复合物在光疗方面的潜力，为抗癌治疗开辟了新途径。
然而，尽管这项研究取得了重要进展，但基于 rGO 的药物递送系统在临床转化中仍面临挑战，如潜在的毒性、长期稳定性和监管问题等。未来的研究需要聚焦于体内验证和探索更多功能基团，以进一步优化 rGO 基药物递送系统的性能，为攻克癌症提供更有效的手段，推动纳米医学领域的发展，让更多癌症患者受益。
