无机纳米颗粒致血脑屏障损伤的潜在风险和免疫机制

The emerging field of nanotechnology has created an intense interest in biosafty of nanomaterials. Recent studies have shown inorganic nanoparticles disrupted the blood-brain barrier (BBB) function and induced neurotoxicity. However, most studies only focused on the direct adverse effects of nanomaterials on brain microvascular endothelial cells. It is unable to effectively appraise and thoroughly reveal the mechanism of nanoparticle-mediated BBB dysfunction. In this project, from the direct damage and the immunological injury ways, we firstly examine apoptosis, inflammation and tight junctions disruption in endothelial cells on the blood-brain barrier model (brain microvascular endothelial cell/astrocyte cells in cocultures) after nanoparticles exposure, and meanwhile explore the role of active factors released by astrocyte in the amplification/antagonistic effects on endothelial cell dysfunction; further establish the brain microvascular endothelial cell/astrocyte/monocyte coculture model to clarify the role and consequence of monocyte-endothelial cell interactions in nanoparticles-mediated endothelial cells dysfunction, and finally analysis the role and correlation of monocyte/astrocyte activation and endothelial cells dysfunction in BBB breakdown at whole animal, cellular and molecular levels. To carry out this study will significantly improve the biological safety evaluation of nanoparticles and help guide the synthesis and applications of nanomedicine for brain targeted drug delivery.

纳米材料的生物安全性已成为当今纳米科技领域中的研究热点。已有研究证实一些无机纳米颗粒可破坏血脑屏障导致中枢神经毒性，而目前相关机制的探讨主要集中在对脑微血管内皮细胞直接损伤效应方面，无法有效评估和彻底解释纳米颗粒对血脑屏障功能的影响。本项目从直接损伤和免疫损伤两种途径，首先研究纳米颗粒对血脑屏障模型（脑血管内皮细胞/ 星形胶质细胞）中的内皮细胞凋亡、炎症以及紧密连接的影响和机制，并探讨星形胶质细胞释放的活性物质对内皮细胞损伤的放大/拮抗效应；构建脑血管内皮细胞/ 星形胶质细胞/单核细胞共培养模型，阐明纳米颗粒通过激活单核细胞-内皮细胞相互作用的信号通路诱导内皮细胞损伤的机制，最后从整体、细胞和分子水平上探讨单核细胞、星形胶质细胞的激活和内皮细胞损伤三者在纳米颗粒致血脑屏障功能障碍中的作用和相关性，开展该项研究对完善纳米颗粒的生物安全性评价以及指导脑靶向纳米药物载体的合成和应用具有重要意义。

纳米颗粒能否通过血脑屏障及其相关机制是当前脑靶向药物载体以及纳米生物安全性领域十分重视的问题。针对此问题，本研究通过体内和体外实验主要探讨3种无机纳米颗粒（二氧化硅纳米颗粒[SiO2-NPs], 四氧化三铁纳米颗粒[Fe3O4-NPs], 二氧化钛纳米颗粒[TiO2-NPs]）致血脑屏障内皮细胞损伤、单核细胞和星形胶质细胞激活的效应及三者相关作用的机制，结果表明SiO2-NPs 对血脑屏障破坏的风险最大，TiO2-NPs 次之，Fe3O4-NPs 具有较好的生物安全性，机制如下：纳米颗粒1) 可作用于血脑屏障（BBB）的内皮细胞，导致内皮细胞的氧化应激，从而降低紧密连接蛋白Occludin,ZO-1表达下降，破坏BBB的结构； 2)可通过激活NF-κB导致ICAM-1,E-selectin,IL-6表达增高，增加BBB炎症；3）还可通过激活Rho/ROCK-JNK通路导致VEGF升高，细胞骨架变化，导致BBB通透性下降； 4）内皮细胞释放的ROS、炎症介质以及VEGF还可激活星形胶质细胞，而激活的星形胶质细胞又可释放炎性介质反过来作用于内皮细胞，从而在纳米颗粒、血管内皮细胞以及星形胶质细胞之间形成一个炎症激活的回路； 5）还可先激活单核细胞，通过单核细胞释放的炎症因子再诱导内皮细胞粘附分子表达升高，而这些粘附分子的上调又可促进单核细胞向内皮迁徙、粘附、积聚,最终损伤内皮细胞。我们的结果提示在内皮细胞、星形胶质细胞以及单核细胞之间可能存在一个正反馈循环并导致血脑屏障破坏。本研究发现不仅为纳米颗粒神经毒理学评价提供重要数据，还为降低纳米颗粒的风险提供重要信息。