肿瘤化疗依然是当今癌症治疗的重要手段。然而,肿瘤化疗常常失败,癌症的多药耐药性和转移性进展是导致化疗失败的两个主要原因。纳米技术的发展为解决上述问题提供了新机遇。当今纳米药物研究主要是开发纳米载药系统,纳米药物本身仅仅是传统药物的一类制剂或者配方的改进,尚未在纳米尺度上开发出作用机理独特的原始创新药物进入临床。近年来,石墨烯材料因其独特的二维平面结构以及蕴涵的新奇物性引起了全球科学家广泛而持久的关注。尽管国际上对各种石墨烯衍生物的生物效应开展了大量研究,但是至今未发现它们本身或者功能化衍生物是否具有显著的抗癌活性。本文在石墨烯材料的广谱抗癌活性、独特作用机制（DNA大沟靶向机制）及其肿瘤治疗应用上进行了探索性研究。利用石墨烯独特的平面结构、低维度效应及丰富表面化学反应性,开发一类结构完全不同于传统小分子药物的新型抗癌原药及其制剂。发现的石墨烯量子点（GQDs）候选抗癌药物不需要负载小分子药物,其本身拥有纳米尺度上的药物活性,在克服肿瘤耐药性、抑制肿瘤转移、降低毒副作用以及对肿瘤组织的靶向能力等方面具有优势。除此之外,我们还通过氮掺杂调控石墨烯量子点的光学性质,将光吸收波长范围从通常的紫外可见光区拓展至近红外二区,并通过二维纳米片的被动靶向性,开展了超低功率密度下近红外二区深组织光热/化疗联合治疗的研究。本文研究内容分为如下五个部分:1.DNA大沟靶向石墨烯候选药物的制备及表征。以小分子久洛利定为前驱物,发展有机酸催化的分子融合法制备GQD候选药物。其药效团是碱性氮杂环簇,主要由六元吡啶环所组成,环绕在石墨烯平面周界。GQD候选药物具有独特的双亲性结构,可快速突破细胞膜屏障靶向定位细胞核,并通过N杂环配体与DNA发生强相互作用。分子生化实验揭示GQD候选药物是靶向作用于DNA大沟区域。DNA大沟靶向不仅赋予石墨烯的独特抗癌活性,而且使之具有优异的DNA探针功能,其成像效果（细胞核成像和DNA凝胶电泳成像）及其荧光稳定性优于商业化的核酸染料。2.DNA大沟靶向石墨烯候选药物的广谱抗癌活性及其分子机制。细胞毒性研究发现GQD候选抗癌药物具有广谱特征,半致死浓度极低,约1.5μg m L-1（～0.3μM）。为考察其体内抗癌活性构建了多种小鼠皮下瘤模型,发现瘤内注射和静脉注射的GQD候选药物都表现出肿瘤生长抑制活性,抑瘤效果优于小分子化疗药物阿霉素（DOX）。在抗癌活性的分子机制研究上,发现GQD候选药物是靶向作用于Topo I和Topo II的双重抑制剂,其抑制活性优于临床应用的Topo I和Topo II抑制剂。利用Western blot和RT-PCR技术,发现GQD候选药物是基于Caspase蛋白通路和Bcl-2蛋白通路的细胞凋亡机制。体内荧光成像、组织学、血常规、血生化和溶血实验分析表明,GQD候选药物具有良好的生物安全性。3.石墨烯候选药物逆转肿瘤多药耐药性的活性及其分子机制。通过三组耐药细胞和药物敏感细胞的细胞毒性对比实验,发现GQD候选药物具有抗耐药特性。进一步研究发现,GQD候选药物在极低浓度下暴露耐药细胞,能高效逆转多药耐药性:MCF-7/ADR和HCT-8/PTX对DOX和PTX的耐药指数分别从155.95和88.41下降为0.84和3.29。在分子机制研究上,GQD候选药物高效逆转MDR1介导的耐药性不是直接作用于P-gp蛋白,而是通过抑制MDR1启动子活性抑制耐药细胞中P-gp蛋白表达的非传统逆转机制。4.石墨烯候选药物抑制肿瘤转移的活性及其机制。细胞划痕和Transwell实验结果表明,GQD候选药物具有高效抑制多种癌细胞迁移和侵袭的活性。体内生物发光成像也证实,GQD候选药物能够高效抑制4T1-Luc细胞的肺转移,抑制率高达84%。鉴于肿瘤干细胞促进癌细胞转移的重要角色,我们还初步研究了石墨烯候选药物抑制肿瘤干细胞的分子机制,发现GQD候选药物能够高效抑制多种肿瘤干细胞标志基因的表达,如在低浓度下暴露4T1细胞,将高表达标志物ALDH的肿瘤干细胞数量从37.43%下降到0.02%,而相同剂量下DOX药物对ALDH的抑制几乎无效。5.石墨烯量子点光热治疗剂及其二维纳米片异质结的制备、光热转化性能及其在近红外二区光热治疗中的应用。以三硝基芘和聚乙烯亚胺为前驱物,利用微波合成法制备了近红外二区响应的富氮掺杂的石墨烯量子点,发现其具有极高的光热转化效率,在808 nm和1064 nm处分别为85.7%和81.3%。在单独石墨烯量子点近红外二区光热转化性质研究基础上,以黑磷纳米片或二硫化钨纳米片为被动靶向单元,负载石墨烯量子点,构筑高靶向性的异质结型光热治疗剂。体内外光热治疗实验表明,氮掺杂石墨烯量子点及其异质结可作为近红外二区的光热试剂应用于较深肿瘤组织的光热治疗。