基于蛋白质组学研究金属有机骨架材料的生物行为与肝脏毒性

Metal-organic frameworks (MOFs) have widely been used for gas storage and separation, catalysis, drug delivery, and disease treatment, among others in recent years. The safety arising from synthesis, transportation and application of MOFs has attracted public concerns, but their biological behaviors and toxicological effects have not yet been clarified. Zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) are a class of typical MOFs with excellent microporosity, high specific surface area, and water and thermal stability. Our previous studies indicated that ZIFs exposure induced neurotoxicity by regulating apoptosis-related proteins and short-term exposure to ZIFs interfered physiological indexes of the liver in rat. Based on the above results, this project will extend the toxicological study on ZIFs with emphasis on two typical ZIFs (i.e., ZIF-8(Zn) and ZIF-67(Co)). The absorption, migration, transformation and target organs of ZIFs will be investigated both in vivo and in vitro. Further the hepatotoxicity and underlying molecular mechanism will be explored by using proteomics approach and molecular biology techniques. Findings of this project will provide insights into biosafety of MOFs, and scientific basis for their production, application and management in practice.

金属有机骨架材料（MOFs）近年来被广泛应用于气体储存与分离、催化、药物运输和靶点治疗等众多领域。MOFs在合成、运输和使用过程中的安全性已引起人们的关注，但是这类材料的生物行为与毒理学效应尚未明确。沸石咪唑类骨架材料（ZIFs）是MOFs中应用较广的一类典型基底材料，具有优良的微孔性、高比表面积和水热稳定性等。课题组前期研究发现，ZIFs材料可调控凋亡相关蛋白诱导神经细胞毒性，在短期活体动物暴露中会引起肝功能相关生理指标变化。基于前期工作，本项目拟进一步选取两种典型ZIFs材料，即ZIF-8（Zn）和ZIF-67（Co），进行活体动物和细胞暴露试验，解析不同金属中心ZIFs在生物体内吸收、迁移、转化及作用靶点，进而利用蛋白质组学及分子生物学技术手段探索ZIFs与生物大分子的相互作用，研究其肝毒性及分子机制。本项目的实施可为MOFs的安全性评价提供新思路，为其生产、应用和管理提供科学依据。

金属有机骨架(MOFs)是一类具有高孔隙率、大比表面积、可调节通道结构和生物相容性的新型晶体多孔杂化材料，广泛应用于能量存储与转换、气体吸附/分离、催化、传感和生物医学等领域。然而，MOFs的实际应用使其不可避免地释放到环境中，对人类和生物产生潜在危害。在生物医学应用过程中，MOFs会逐渐释放金属和有机配体到细胞腔室中，金属和其他材料的富集可能会对生物系统产生不利影响。因此，应对MOFs的生物毒性和作用机制进行深入研究，以确保这类新型材料的大规模生产和广泛应用。.本项目合成并评估了不同纳米尺度MOFs的细胞毒性，并针对钴基和锌基的金属有机骨架材料（ZIF-67，MOF-74-Zn）进一步研究其神经毒性和分子作用机制。通过细胞模型和动物模型揭示了MOFs的神经毒性效应，利用细胞生物检测手段结合组学技术及生信分析，针对细胞毒性效应、目标靶点和信号通路进行了深入的探究。.基于活体动物的滴鼻暴露模型，大鼠在60 nm ZIF-67持续30天暴露后会产生行为学的改变，小鼠在20 nm MOF-74-Zn持续14天暴露后也产生了相应的行为学变化，这表明ZIF-67和MOF-74-Zn对生物神经系统具有一定毒性效应进而引起活动行为异常。进一步研究结果显示，ZIF-67会引起脑内抗氧化酶活力的下降，影响神经肽信号通路，同时会调控学习与记忆相关的多种基因的表达；MOF-74-Zn会显著影响多巴胺、去甲肾上腺素及其代谢产物等神经递质的表达水平，但不会引起小鼠脑组织氧化应激相关参数的改变。.为进一步探究MOFs的分子作用机制，利用细胞模型（BV2和PC12）评估了ZIF-67和MOF-74-Zn的神经毒性效应。结果表明ZIF-67主要通过激活缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)/BCL-2 19-kDa相互作用蛋白3(BNIP3)信号通路产生氧化损伤进而引起细胞凋亡；MOF-74-Zn通过调控神经递质合成、释放和分解等过程相关参与蛋白的表达诱导细胞内神经递质表达水平紊乱，进而产生神经毒性。.本项目围绕MOFs的细胞毒性和分子作用机制，建立了相应的细胞模型和动物模型及评价指标，揭示了ZIF-67和MOF-74-Zn诱导的神经毒性效应及其分子作用机制，可为MOFs的安全性评价提供新思路，为其生产、应用和管理提供科学依据。