介孔氧化硅引发的氧化应激及其神经化学

Although mesoporous silica nanoparticles (MSNs) have been greatly developed for potential biomedical applications in drug delivery, imaging, and diagnosis, little is known concerning the potential adverse effects of MSNs on the brain, which may be associated with oxidative damage triggered by MSNs. The present proposal is going to evaluate oxidative stress and DNA damage such as increased reactive oxygen species (ROS), depleted glutathione (GSH), increased malondialdehyde (MDA), increased lactatede drogenase (LDH), and 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine (8-OHdG), which are triggered by MSNs, and further to examine the morphology and cytotoxicity, disturbed cell cycle and induced apoptosis of neurons PC12 cells in vitro. To reveal the preventive action of the anti-oxidant against the neurotoxicity of MSNs, the PC12 cells are pre-treated with anti-oxidant N-acetylcysteine (NAC) and then the oxidative stress and neurotoxicity induced by MSNs are evaluated. The proposal aims to reveal the potential neurotoxicity of MSNs on the neurons in biomedical applications and to make response to the potential concerns with risk and bio-safety of MSNs exposure.

介孔氧化硅（MSNs）是有应用前景的新型纳米载体，在药物递送、生物成像、诊断试剂等新材料领域广受关注。我们在前期工作中发现MSNs在没有转铁蛋白配体的介导作用下仍然可以突破血脑屏障进入脑部。这促使我们研究其入脑后的生物效应。本项目拟制备不同表面性质、不同形貌的MSNs 与神经元模型PC12 细胞共孵育，借助荧光探针方法，测定细胞内氧化应激指标，评价DNA损伤程度；检测细胞增殖、细胞周期和细胞凋亡，评价神经细胞毒性，分析其神经毒性与表面性质和形貌之间的关系。本项目拟进一步评价MSNs 对经N-乙酰半胱氨酸(NAC)预处理的PC12 细胞增殖、周期、凋亡和DNA损伤的影响，揭示NAC对MSNs 神经毒性的预防作用。实施本项目可澄清MSNs 的神经毒性风险，可定义相对安全的MSNs，可界定抗氧化剂对MSNs神经毒性的预防作用。因而实施本项目可为MSNs开发成安全高效的药物传输体系提供科学依据。

介孔氧化硅纳米颗粒（mesoporous silica nanoparticles, MSNs）作为一种优良的载体，在药物递送、生物成像及诊断试剂等生物医药领域有着巨大的应用潜力。但由于其存在安全性隐患，限制了其临床应用的发展。我们在前期研究工作中发现，MSNs在转铁蛋白修饰下可能突破血脑屏障（blood-brain-barrier， BBB）进入脑部，造成动物神经元的损害。这意味着MSNs可能有一定的神经毒性，对动物脑功能产生一定的影响。.为了进一步提高MSNs的生物相容性，我们选择最优天然抗氧化剂硫辛酸（lipoic acid，LA）对MSNs进行表面修饰，减轻其细胞毒性，特别是降低其对神经细胞的损害。作为比较，我们也合成了以巯基修饰的介孔氧化硅材料MSN-SH。.以SH-SY5Y细胞作为神经细胞模型，研究介孔氧化硅材料的体外细胞毒性。MTT法检测细胞生长活力，并计算得到MSNs的半数有效抑制浓度为30ug/mL。MSN-SH和MSN-LA的细胞毒性明显降低，孵育24h后细胞形态无明显变化。在给药浓度为400ug/mL时，细胞抑制率仍低于30%。其中，MSN-LA毒性最小。细胞凋亡实验结果表明，MSNs可引起细胞凋亡增加，MSN-SH组细胞凋亡率下降，而MSN-LA组细胞凋亡率最低。线粒体形态、膜电位和线粒体呼吸能力研究结果表明，MSNs引起线粒体功能明显受损，而MSN-LA组各项指标变化程度最小。.以C57BL/6N小鼠作为动物模型，研究其体内神经毒性及其对脑功能的影响。连续给药21天后，MSN-SH和MSN-LA无明显急毒性。MSNs可穿过BBB进入小鼠脑部，引起小鼠社交能力和新物体识别能力明显下降，而MSN-SH对BBB和小鼠脑功能影响较小，MSN-LA对BBB和小鼠脑功能影响最小。.分子水平的机制研究表明，MSNs毒性主要和细胞内ROS含量有关。细胞内ROS含量升高，可磷酸化JNK、p38蛋白，激活内源化通路，促凋亡因子释放，使细胞色素C释放到细胞质中，激活Caspase 9，使Caspase 3裂解活化，进而导致细胞凋亡。表面修饰还原性的SH和LA后，可减少ROS产生，降低MSNs对脑组织和脑功能的影响。