基于膜片钳技术对纳米材料神经毒性的机制研究

纳米材料已广泛应用于生物医学的许多方面，尤其在介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化等方面具有广泛的应用前景。临床医疗将随着纳米技术的应用而变得节奏更快，效率更高，诊断检查更准确，治疗更有效。但是，这些具有独特物理化学性质的纳米材料, 在生物体内的分布以及作用于体内靶器官将对人体健康带来潜在的影响。目前对于纳米材料的安全性评价体系还很缺乏，纳米产品对人体有哪些潜在的危害，值得我们深入研究。许多实验动物实验已经发现纳米颗粒可以通过多种途径进入大脑，具有潜在的神经毒性。我们的研究以膜片钳技术为平台，结合细胞生理学和单细胞凝胶电泳技术的研究手段，探讨多种纳米材料对中枢神经系统的影响，并进一步研究对神经元通道电流的影响及其机制。以期为建立一个包含纳米材料毒性和化学特性的数据库积累资料，并在此基础上建立纳米物质神经系统安全评价体系。

纳米材料已经广泛应用于生物医学的许多方面，但是，纳米材料本身具有独特物理化学性质, 其在生物体内的分布以及作用于体内靶器官有可能对人体的健康带来潜在的影响。许多实验动物实验已经发现纳米颗粒可以通过多种途径进入大脑，具有潜在的神经毒性。本研究以膜片钳技术为平台，结合细胞生理学及神经电生理学等研究手段，探讨了多种纳米材料对中枢神经系统的影响及其机制。利用膜片钳技术对纳米氧化铜（CuO）、纳米银（Ag-NP）、纳米碳化钨（WC）、纳米氧化锌（ZnO）等的研究发现CuO通过活性氧介质抑制了海马CA1区锥体神经元的电压门控钠通道活性;而Ag-NP颗粒抑制海马CA1区锥体神经元谷氨酸能突触的传递，增加细胞兴奋性，其抑制微小兴奋性突触后电流（mEPSC）的幅值，但却使自发兴奋性突触后电流（sEPSC）的幅值和频率增加;对WC的研究发现其对大鼠海马脑片CA1区锥体神经元电压门控钾电流的影响，显著降低瞬时外向钾电流（IA）和延迟整流钾电流（IK）的振幅，并显著降低IA和Ik的电流-电压曲线；而WC可以衰减海马CA1锥体神经元的电压激活钠电流的峰值并呈浓度依赖性，提示WC可能通过对电压门控钠通道的作用而影响神经元动作电位的特性。此外，本课题利用PC12细胞系及神经胶质瘤细胞系研究了CuO、多壁碳纳米管（MWCNT）、Ag-NP及羟基磷灰石纳米（HA）颗粒的作用，研究结果提示HA引起C6细胞发生氧化应激抑制C6细胞增殖，诱导C6细胞凋亡；纳米铜增加细胞内ROS，降低SOD是其诱导的细胞毒性机制之一；MWCNT通过增加氧化性应激诱导C6细胞毒性，其中更小尺寸的MWCNT毒性更大些；而ZnO导致胞浆高电压激活钙通道，这将增加细胞内ROS，从而促进神经细胞凋亡。在细胞学实验和膜片钳实验结果的基础上，我们进一步利用大鼠模型的在体实验做了ZnO对空间认知能力和突触可塑性的影响，提出长时程突触可塑性的不均衡改变是导致大鼠空间认知障碍的原因之一；提出海马神经元数量的减少，海马匀浆中ROS的显着增加与Ag-NP引起神经损伤有关。研究结果为新药的探索和临床研究提供了有价值的实验内容，为建立包含纳米材料毒性和化学特性的数据库积累了详实的科研资料。