荧光硅纳米颗粒的细胞和活体生物学效应研究

Silicon nanostructures due to their many attractive properties have been extensively explored in biological and biomedicine applications (e.g. biosensor, bioimaging, tumor diagnosis and therapy). However, there exist no comprehensive studies concerning their biological effects, which hinder their applications. Herein, we will carry out a systematic in vitro and in vivo study on the biological effect of fluorescent silicon nanoparticles with different surface modification. First, the transmembrane pathway and the cellular location of fluorescent silicon nanoparticles will be verified. Furthermore, the cytotoxicity of fluorescent silicon nanoparticles with will be evaluated. Moreover, we will investigate short- and long-term in vivo biodistribution, pharmacokinetics and toxicity of the fluorescent silicon nanoparticles with different sizes. Our studies will provide invaluable information for the design and development of fluorescent silicon nanoparticles for biological and biomedical applications.

硅纳米结构由于其良好的光/电性能、表面极易被修饰以及易与传统硅平面工艺兼容等优异的性能，被广泛应用于生物传感、生物成像、肿瘤诊断及治疗等生物、生物医学研究领域。然而，关于硅纳米结构的生物学效应的研究目前尚在起步，极大阻碍了硅纳米结构的实际应用。基于此，本项目将选取不同表面修饰的荧光硅纳米颗粒为研究对象，从细胞和活体两个层面对其生物学效应展开系统研究。在细胞层面，将研究荧光硅纳米颗粒跨膜运输途径及其在细胞内的定位；在此基础上对其细胞毒性进行考察，探究其可能机制。在活体层面，将系统研究荧光硅纳米颗粒在动物体内的代谢动力学过程和组织分布；并进一步对其活体毒性进行考察，力图发现具备良好生物相容性的荧光硅纳米颗粒，为其更好地用于生物学、生物医学成像等领域奠定基础。

伴随纳米生物医学发展，国家自然科学基金委在“十三五”发展规划中明确指出将重点支持纳米安全性和生物学效应研究，认为相关方向的发展对保持并提升我国在纳米生物医学领域的国际竞争力和国际地位具有重要的战略意义。近年来，硅纳米结构由于其良好的光/电性能，被广泛应用于生物传感、生物成像、肿瘤诊断及治疗等生物、生物医学研究领域。然而，关于硅纳米结构的生物学效应研究目前尚在起步，极大阻碍了硅纳米结构的实际应用。针对上述研究背景和该领域存在的机遇和挑战，在国家自然科学基金委青年项目的支持下，本项目围绕荧光硅纳米颗粒的生物学效应，从细胞和活体两个层面对其生物行为学和毒理特性进行系统考察。具体来说，我们首先充分结合荧光硅纳米颗粒的荧光特性，采用共聚焦荧光显微镜和流式细胞仪等方法揭示其时间依赖的细胞摄取动力学、能量依赖的网格蛋白和胞膜窖介导的胞吞运输途径、及时间依赖的胞内定位（即短时间内定位于胞内体，随后进入高尔基体或溶酶体）。与此同时，采用多种手段，如MTT检测法、ATP含量测定法、LDH水平测定法及钙黄绿素-AM (Calcein-AM) 和碘化丙啶 (PI)活/死细胞测定法等，从不同方面对其毒性进行探讨，验证其良好的生物相容性。此外，利用荧光半定量和光谱精确定量法对其在动物体内的代谢动力学、体内分布和排泄途径等进行多角度分析。项目开展期间，相关工作累计发表SCI论文24篇，其中影响因子>5.0的论文计21篇。相关工作得到国内外同行的高度评价，因此受邀在国际权威期刊Adv Mater（2016）上发表综述文章，系统阐述硅纳米生物技术在生物成像、分析检测和疾病诊治方面的应用研究，并详细分析硅纳米结构的生物学效应研究进展。通过本项目支持，项目负责人于2017年获评江苏省自然科学基金优秀青年项目。总体而言，本项目立足于考察荧光硅纳米颗粒的生物学效应，所开展的工作具有重要的原创性和鲜明的特色，所取得研究进展将为硅纳米生物技术在生物医学等相关领域的更进一步的发展和临床应用奠定基础。