Advanced Functional Materials:工程纳米材料的毒理代谢组学研究进展与挑战

工程纳米材料是一类根据需要设计并制备出来的、具备可控的形状和性能的纳米材料。由于其独特的性能已广泛应用于生物医学、工程、食品、化妆品、传感和能源等领域,但是由于消费者对工程纳米材料技术产品的需求不断增加,这类材料在环境中的释放以及和人类接触机会也日益增加。当纳米材料进入人体后,它们会通过扩散、流动和剪切力、聚集、蛋白质吸附、吞噬固存和肾脏清除等途径分布到不同的器官、破坏生理屏障,最终破坏组织和细胞的正常生化过程。这些受干扰的生化过程是氧化应激、细胞增殖抑制、细胞膜破坏、生殖和发育系统障碍以及其他各种病理学的毒理学终点。显然,工程纳米材料对人类健康和环境方面的不确定性影响将阻碍这些新材料在消费品中的开发和使用,因此,它们在被纳入消费品之前应进行完整的纳米毒性测试以评估其生物安全性。但是目前大部分有关工程纳米材料的有害性研究报告主要集中在特定的器官上,而事实上所有的器官都是相互关联的。因此开发出可以反映出全身水平上发生累积变化的纳米毒性评估方法至关重要。此外,目前对工程纳米材料的毒性评估并没有涉及其在生物系统的所有可能的相互作用,因此,需要开发出全面的技术方法从不同的水平(从基因、蛋白到代谢产物)来评估工程纳米材料的毒理学效应。          

生物信息学分析表明工程纳米材料诱导的细胞扰动(毒性)涉及十几个主要的信号途径和过程,特别是代谢信号途径。代谢组学可提供大量与细胞、器官以及以小分子形式存在的有机体相关的生化状态信息,这使得代谢组学可用于疾病诊断和机制分析、生物标志物的发现和识别以及治疗效果的监测。由工程纳米材料暴露于环境所导致的细胞代谢变化应被认为是其毒性的重要标志,因此利用代谢组学分析获得的信息还可以用来评估工程纳米材料的环境健康及安全性。此外,毒理代谢组学研究可提供有关纳米工程材料在整个体内的吸附、分布、代谢和排泄、药代动力学和药效动力学信息,这将有助于未来设计制备出具有优异生物相容性的纳米工程材料。 近日,上海交通大学材料科学与工程学院李万万教授课题组对工程纳米材料的毒理代谢组学研究进展与挑战进行了综述。重点阐述了系统生物学方法(特别是代谢组学方法)在精准评估工程纳米材料的毒性和环境健康安全性方面的重要性。希望工程纳米材料的毒理代谢组学可利用代谢组学分析获得的毒理数据助力未来纳米工程材料产品的设计和制造,造福人类。相关综述论文以”Toxico-Metabolomics of Engineered Nanomaterials: Progress and Challenges”为题在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201904268)上。