金属离子对细胞紧密连接的作用、机制和研究新方法

Biological barriers are essential for controlling flux and transport of substances. The tight junction (TJ) is of crucial importance in the structural integrity of biological barriers. Alternations in structures and functions of tight junction are associated with some diseases and metal toxicity; particularly, the renal toxicity of anti-diabetic vanadium compounds could be closely associated with vanadium-induced tight junction damages.The aim of this project is to study the actions and mechanisms of vanadium, lead, mercury, zinc and other metal compounds on the structures and functions of tight junction while developing novel methods to determine the permeability and modes of tight junction opening by use of lanthanide complexes and gold nanoparticles as series of probes. In addition, the project will analyze the effects of metal compounds on expression of tight junction proteins and their phosphorylation modification as well as major signal transduction pathways related, thus elucidating the molecular mechanisms of regulating tight junction by metal compounds. Our results will provide new insight into the chemical bases of metal toxicity and help to discover safer anti-diabetic vanadium agents and novel diagnostic probes using lanthanide complexes and inorganic nano materials.

生物屏障是生物体控制物质转运的重要手段。在生物屏障结构中，细胞之间的紧密连接（Tight junction, TJ) 是其完整性的结构基础之一。TJ的功能失常与某些疾病和金属毒性都有重要关联；特别是抗糖尿病钒化合物与TJ的作用可能与其肾毒性密切相关。本项目计划应用稀土配合物和胶体金等为探针，建立TJ开放程度和模式分析的新方法，进而研究钒、铅、汞、锌等金属离子及化合物对TJ开放的调节作用，并通过分析金属离子对紧密连接蛋白的表达、蛋白磷酸化修饰以及对细胞相关信号转导过程的作用，探索和阐明金属离子对TJ调节作用的化学和分子机制，从而推进金属化合物毒性的化学基础研究，为发现新的抗糖尿病钒化合物和扩展稀土配合物/无机纳米材料在医学检验中的应用提供新的科学依据。

生物屏障是生物体控制物质转运的重要手段，细胞紧密连接（TJ）是生物屏障完整性的结构基础之一并参与了多种细胞信号转导过程。TJ的开放与重要的生理、病理和金属毒性（其中包括抗糖尿病钒化合物）都有关联。然而金属离子与TJ作用的机制之前未得到详尽的认识，同时也缺乏有效而方便的检测TJ开放和孔隙性质/参数的方法。本项目应用稀土配合物和荧光纳米原子簇探针，建立TJ开放程度和结构分析的新方法，研究了钒、锰、镉、汞、锌等金属离子/化合物对TJ开放的作用，获得了一下重要的结果：（1）基于物理化学多孔介质中分子扩散原理，首次建立了应用荧光双探针系统测定TJ孔道参数的数学模型。进而应用荧光双探针系统（EuDTPA-AuNCs/AgNCs），第一次揭示了螯合剂EDTA和钒配合物处理导致TJ开放的动态和结构变化过程、测定了多种金属离子诱导TJ开放的孔隙结构参数，为后续研究金属离子/药物调控TJ开放的机制提供了新的工具；（2）首次阐明了GQDs通过脂筏介导的途径跨生物膜渗透及在细胞内分布的机制，为未来GQDs作为新型药物载体提供了关键的依据；（3）首次阐明了Zn2+离子通过极性的作用方式，下调TJ蛋白Claudin-1水平并诱导F-actin重排、调节TJ开放的分子机制，实验结果还提示了Zn2+离子可能在脑神经系统拟淋巴循环中具有新的生理意义；（4）系统研究并阐明了钒配合物通过诱导活性氧的机制对TJ的作用及机制，发现抗氧化剂可以抑制钒配合物对TJ的毒性作用。结合动物实验结果，初步阐明了钒配合物导致II型糖尿病动物肾改变的机制。进而通过理性设计，获得了一个比经典降糖钒配合物BMOV更为有效和安全的化合物VOphpada。总之，本项目结果为未来抗糖尿病钒配合物药物的成功和扩展稀土配合物/无机纳米材料在生物医学中的应用提供了新的科学基础。