Small:纳米材料生物转化的分子机制、表征技术及其在纳米安全性研究中的应用

人工纳米材料的生物安全性是关系到纳米科技可持续发展的基础性问题。纳米材料复杂多变的理化性质决定了其生物学效应的多样性。纳米材料进入生物系统后与生物分子间的相互作用,即纳米材料的生物转化是引发毒性效应的重要分子起始事件,相关研究受到了越来越多的关注。

近几年,纳米生物转化研究取得了重要突破,一些典型的生物转化过程得到了深度解析。例如,高梦等人发现二维SnSe纳米材料表面的单原子空穴具有很高的活性,可以模拟细胞脱氢酶的催化性能,催化乳酸、乙醇、苹果酸、甘油三磷酸等底物的脱氢反应。这些有机物的脱氢反应涉及细胞能量代谢的关键步骤,与细胞内糖类、脂类、氨基酸的代谢以及机体免疫调控和肿瘤等疾病的发生密切相关(Gao et al, Angewandte Chemie International Edition,2020,59,3618-3623)。郑会珍等人发现氧化石墨烯与稀土氧化镧的复合材料与细菌膜接触后可以使细菌膜上的磷脂发生去磷酸化和脂质过氧化作用从而破坏细菌磷脂层以及肽聚糖层,同时稀土纳米颗粒转化为海胆状的六方相LaPO4(Zheng et al, ACS nano, 2019, 13, 11488-11499)。蔡晓明等利用蛋白-代谢组学技术, 建立了多维度的纳米生物学效应评价方法,并利用该方法评价了纳米氧化铁7种基本理化特性与其6种生物学效应之间的多重构效关系。发现炎性效应主要是由氧化铁纳米棒的纵横比决定,而表面活性是细胞迁移的主要影响因素。纳米氧化铁通过胞吞的方式进入细胞,破坏溶酶体,引发Cathepsin B释放,NLRP3炎性小体激活,Caspase-1切割pro-IL-1β释放炎症因子。这些生物学机制在小鼠模型上得到了进一步验证 (Cai et al, Nature Communications, 2018, 9, 4416)。

该综述系统讨论了纳米生物安全性研究中的以下热点问题:1)不同暴露途径下的纳米-生物作用界面,暴露途径对纳米材料生物转化和生物效应的影响以及纳米安全性检测中动物剂量和细胞实验剂量的计算方法;2)纳米材料生物转化的分子机制,讨论了纳米颗粒发生聚集、解离、生物冠形成、重结晶和氧化还原反应等过程中涉及的具体理化反应及其与细胞毒性机制的关系;3)纳米材料生物转化的表征方法,主要介绍了光学及电子显微成像、X射线、质谱和拉曼等表征技术在纳米生物转化研究中的优势和存在的问题;4)人工纳米材料的安全性设计方法,从纳米生物转化的角度探讨了表面涂层、形貌控制、掺杂及表面钝化等安全性设计方法。最后该综述针对纳米安全性评估和纳米医学研究中的瓶颈问题讨论了纳米生物转化研究的意义,并展望了未来的研究方向。

相关工作在线发表在Small上。(DOI: 10.1002/smll.201907663)