纳米银的致毒机制及毒性调控研究

Recently, the biological toxicity of nanosilver has become the frontier of the nanotoxicological research, especially for the study on mechanism and control of the toxicity. As known, the toxicity of nanosilver shows a strong dependence on the chemical structure of surface, due to the large specific surface area. This project intends to modify the nanosilver with a series of organic molecules, which have a systematical comparability in chemical structure and a defined fashion in interaction with the surface Ag atom. In this way, the toxicity-related properties including Ag+ release and ROS generation are regulated, which would further induce the corresponding changes on the toxicity of nanosilver. Then, by comparing each behavior (Ag+ release or ROS generation) of nanosilver and the toxicity effects, the exact mechanism could be concluded. Meanwhile, the relationship of structure-property on the toxicity of nanosilver could also be acquired by correlating the toxicity effects with the chemical structure of surface. Based on this law, we could control the toxicity of nanosilver by simply modifying the surface with multiple effectively-structured molecules. The results of this project will provide insight into the mechanism of the toxicity of nanosilver, giving significant instructions on rational preparation and safe application of nanosilver in future.

近年来，纳米银的生物毒性已成为纳米毒理领域的研究前沿，其中纳米银的致毒机制和毒性调控两方面研究尤为关键。由于纳米银具有大的比表面积，其生物毒性表现出对表面化学结构强烈的依赖性。因此，本项目拟采用一系列化学结构上系统可比且配位作用明确的简单小分子修饰纳米银，通过调节毒性相关的关键性质（银离子释放和活性氧产生），进而扰动纳米银的生物毒性。进一步比对银离子释放/活性氧产生行为和相关毒性规律的对应关系，得到纳米银的生物毒性机制。同时，总结基于表面化学的纳米银生物毒性的构－效关系，并以此构-效关系为基础，采用具有调控效用结构的多种有机分子修饰纳米银，以调控纳米银的生物毒性行为。本项目的研究结果对于深刻理解纳米银的生物毒性机制及最终实现对纳米银的合理制备和安全使用都具有重要价值。

纳米银产品已渗透入日常生活的方方面面，其生物安全性也成为公众关注的焦点，其中纳米银的致毒机制和毒性调控两方面研究尤为关键。纳米银表现出表面化学结构依赖的生物毒性，因此，本项目围绕“表面依赖的纳米银毒性效应，调控及分子作用机制”这一主题展开了全面深入的研究，从纳米银表面结构的不同元素/方面（配位、碳链、荷电）来阐述其对不同层级生物（微生物、哺乳动物）的毒性影响及调控，探讨了纳米银在生物体内与生物分子的相互作用，纳米银的赋存形态与转化过程，并以上述研究结果为基础提出了相关的纳米银分子致毒机理。研究结果如下：1）利用配体交换法制备得到化学结构上系统可比且配位作用明确的小分子修饰的纳米银颗粒（AgNPs），通过研究它们毒性相关的关键性质（Ag+释放和 ROS 产生），及大肠杆菌 E. coli 抗菌活性对应关系，得出 AgNPs 致毒物种为Ag+。结合 SEM 表征、胞内ROS及氧化应激指标（脂质过氧化）检测，提出了纳米银通过释放Ag+，扰乱呼吸链，产生ROS 积累，导致氧化应激，体现抗菌效应。2）表面负电荷纳米银可作为外源纳米级活化剂，快速且剂量依赖性地激活离体及活体小鼠血浆中的KKS酶原体系，导致血管通透性升高。以小鼠视网膜血管内皮细胞以及C57/B6小鼠为细胞和活体研究模型，结合分子免疫分析、Evans Blue探针渗漏方法等手段，得出纳米银增加视网膜血管通透性机制为：纳米银激活血浆KKS 体系，产生下游炎性调节因子血管舒缓激肽（BK）与视网膜内皮细胞表面受体B2结合，诱导细胞间粘合连接蛋白VE-cadherin 磷酸化脱落，胞间连接打开，视网膜血管通透性增加。3）高剂量Ag+处理的血浆中能形成纳米银颗粒。基于体外模拟缓冲体系，进一步证实GSH 和还原型辅酶II（NADPH）是血浆中Ag+还原为纳米银的关键还原剂。结合热力学氧化还原电势的计算结果，可以确定血浆中的Ag+在GSH、NADPH还原作用下转化为纳米银的生物学过程。我们的研究结果对于全面深入阐释纳米银生物毒性以及客观评价纳米银的生物安全性具有重要启示作用。