几种纳米材料诱导胞内ROS的生成及毒性效应机制研究

Because of increasing quantities in applications and industrial production at large scale, strong attention has been paid to the potential risk of nanomaterials to human health and environmental impact. Some experiments have demonstrated that nanoparticles are toxic to cells or organisms by the mechanism in relationship to the generation of reactive oxygen species (ROS). ROS is very important in regulating many aspects of cellular physiology, including cell growth, differentiation and apoptosis. It is also closely related with some signal transduction pathway and gene expression. In this work, the mechanism of ROS formation in cells induced by several different nanoparticles (such as carbon nanotube, Au NPs, Ag NPs and TiO2 NPs) will be studied. The cellular oxidative damage and ROS-releated cytotoxicity will be detected after exposure of these nanomaterials. To obtain a reliable result, that how the interaction between nanomaterials and biomoleculars plays a role in ROS formation and toxicity induction will be studied. Understanding the relationship of nanomaterial-ROS-bilogical effects will enhence our knowlede of nanotoxicology.

随着纳米材料生产的规模化和产品的普及，人们接触和暴露在含有纳米材料环境的机率大大增加，因此人们对纳米技术和纳米材料所表现出来的毒性、健康效应以及安全性等问题也越来越关注。研究表明，诱导细胞生成ROS是纳米材料产生毒性的重要分子机制之一。ROS不仅在细胞增殖、分化、凋亡中发挥重要作用，同时也参与细胞内的信号转导和调节基因表达。 本项目提出以碳纳米管、纳米金、纳米银及二氧化钛等几种人工纳米材料为研究对象，在分子水平和细胞水平上研究不同类型纳米材料诱导胞内ROS的生成机制；研究纳米材料通过诱导ROS生成造成的氧化损伤及细胞毒性/生物效应；研究纳米材料与生物大分子的相互作用在诱导ROS生成及毒性效应的分子机制。通过纳米材料-ROS-毒性效应机制的解析，进一步揭示纳米材料的致毒机制。

纳米材料由于其独特的物理化学性质而被广泛应用于化学、生物、医学、医疗、环境保护、日用品以及工程材料、电子产品等领域。近年来随着产品种类和产量的显著增加，纳米材料在生产、使用、运输以及储存的过程中进入到环境的几率也大大增加。纳米材料的毒性和健康效应已经引起人们的关注，但总体而言，目前对纳米材料的生物安全性和潜在生物毒性的研究落后于对纳米材料性能及应用方面的研究。本项目对几种纳米材料的诱导ROS生成和生物效应开展了研究。（1）研究了不同修饰碳纳米管的细胞毒性。研究发现，尽管在测试浓度条件下修饰碳纳米管未能引起细胞活性和胞内ROS的显著变化，但能够引起显著的细胞凋亡、粘附性下降及细胞膜损伤等细胞毒性；（2）研究发现nAg可以引起线粒体超氧化物水平升高，线粒体膜电势下降，而使线粒体受到损伤，进而使细胞线粒体的膜孔打开释放出细胞色素C，而诱发细胞凋亡。研究结果表明纳米银颗粒引起的线粒体损伤时引起ROS生成的关键因素。（3）借助于激光共聚焦显微镜、免疫杂交、流式细胞仪等分析手段，研究发现超长纳米银线可以诱导产生多种毒理学效应，包括巨大细胞生成、细胞周期紊乱、染色质分裂异常、DNA损伤、细胞凋亡、细胞自噬等。研究发现ROS在超长纳米银线诱导的细胞毒性过程中起到重要的调节作用。（4）研究发现氧化石墨烯暴露可以引起斑马鱼氧化应激水平的升高，组织损伤增加以及免疫活性升高。