环境生物转化改变氧化石墨烯生物效应的机制研究

The environmental health risks of graphene oxide (GO) nanomaterials are gaining more and more attention. The cytotoxicity effects and mechanisms of pristine GO have been extensively studied, however, GO would be transformed by the environmental and biological media, with alteration of their physicochemical properties and modes of occurrence, thus the bioeffects also changed, but there is lack of related research at present. Our previous study has uncovered that GO greatly enhanced the cellular toxicity of heavy metal cadmium ion by disturbing cell membrane structure and function upon low dose exposure, which did not directly result in significant cytotoxicity. Till now, no systematic study on the changes and mechanisms of cytotoxicity of heavy metal secondary to transformed GO exposure. Therefore, the main research contents of this project are: 1) transformation of GO in the environmental and biological media, meanwhile, defining the critical factors in the progress of GO physicochemical and mode of occurrence transformation; 2) the changes of interaction model between GO and its target cells and effects of low dose GO pre-treatment which transformation in environmental and biological media on the cytotoxicity of heavy metal; 3) to explore the biomechanisms of cytotoxicity effects change of heavy metal by low-dose pristine or transformed GO pre-treatment through disturbing the cellular defense system. Thus, this project will provide new insights and scientific guidance for in-depth assessment of the GO-induced environmental biological effects and uncover the health risk of GO under its actual exposure state.

氧化石墨烯（GO）的环境健康风险日益受到关注。虽然原始态GO的生物毒性效应与作用机制得到了大量的研究，但进入环境（水体等）和生物介质（肺液和胃液等）中的GO会发生理化性质与赋存状态的转化，然而目前对于转化过程对其生物效应影响的认识十分有限。项目组前期研究发现，低剂量原始态GO预暴露尽管无显著细胞毒性，但可通过干扰细胞膜结构和功能而增强镉等重金属的细胞毒性。目前对于环境生物转化态GO对重金属细胞毒性效应的影响及机制尚无系统性研究。因此，本项目主要研究：1）GO在环境和生物介质中的转化以及导致其理化性质与赋存状态改变的关键因素；2）环境生物转化对GO与靶细胞之间相互作用模式以及低剂量转化态GO预暴露对重金属细胞毒性效应的影响；3）环境生物转化态GO通过干扰细胞防御体系改变重金属细胞毒性效应的机制。本项目的开展将为深入评估GO的环境生物效应，揭示其实际暴露状态下的健康风险提供科学依据。

氧化石墨烯(GO)的环境健康风险(EHS)得到了广泛的关注和研究。然而，以往的研究主要集中在原始态GO在相对较高暴露剂量下的生物毒性效应，忽视了其在环境和生物介质中的转化过程,以及与其它环境污染物间的协同毒性效应。本研究采用两种不同的人工肺液孵育原始GO，模拟GO在肺液中的生物转化过程。通过对GO理化性质的表征发现，转化态GO的形貌结构、表面含氧官能团数量、粒径以及Zeta电势的理化性质均发生显著改变。相较于原始态GO，转化态GO的细胞毒性增强。我们采用GO与重金属复合暴露细胞后发现，与单独重金属暴露相比，GO复合重金属暴露均可增强重金属的细胞毒性效应，且转化态GO复合暴露组上述效应更加显著。通过机制探索发现，GO可通过抑制具有重金属外排功能的ATP结合盒（ABC）蛋白(ABCC1、ABCB1及ABCG2)的表达水平和功能，通过增加细胞内重金属的含量，诱发氧化应激反应，最终促进细胞的凋亡，并且生物转化态GO暴露组上述效应更加显著。综上所述，生物转化过程可对GO的理化性质和生物安全性产生显著影响，并可增强GO与重金属的协同细胞毒效应。进一步，我们发现低剂量（非毒性剂量）GO可与肿瘤细胞膜发生显著相互作用进而影响肿瘤细胞的生物学行为。通过CCK8和EdU增殖实验证明了低浓度GO（10μg/mL）暴露可明显增强肿瘤细胞的增殖能力，细胞划痕实验和Transwell实验发现低剂量GO暴露可增强肿瘤细胞的侵袭迁移能力，体内实验也验证了GO的促肿瘤细胞增殖和侵袭转移能力。进一步，我们利用流式细胞术检测细胞周期发现低剂量GO暴露可显著促进肿瘤细胞有丝分裂进程，Western blot检测显示低剂量GO暴露可分别通过作用于肿瘤细胞膜蛋白Integrins蛋白家族成员和TGF-βR，进而激活下游PI3K-AKT-mTOR和Smad2/3信号通路促进肿瘤细胞增殖和诱导细胞发生EMT转化增强肿瘤细胞的侵袭迁移能力，并且利用Integrins和TGF-βR抑制剂处理细胞后能够明显逆转低剂量GO暴露对肿瘤增殖和侵袭迁移能力的影响。我们的研究将提高对纳米材料的环境健康风险的理解，并为其进一步的风险评估提供科学依据。