利用核技术研究碳纳米管的潜在神经毒理学效应

碳纳米管的大量生产与应用引起科学家对其环境和生物安全性研究的高度重视。研究表明纳米二氧化钛与氧化铁等可导致脑组织和神经元的损伤效应，但至今关于碳纳米管潜在的神经毒理效应的研究报道极少。基于本课题组纳米二氧化钛和纳米铜粉的神经毒理学研究中已建立的相关技术平台，本项目拟通过纳米颗粒暴露的整体和离体模型，应用相关核技术和病理学等手段研究不同性质碳纳米管在脑区、肺组织及神经细胞的分布和微量元素变化，探讨碳纳米管经由嗅觉神经或血液循环途径进入脑而直接或间接导致的可能损伤效应；同时采用神经生物学等技术观测和比较不同性质碳纳米管对神经元和胶质细胞及脑片的功能和形态影响及差异；并结合细胞生物学等技术，从神经递质受体和金属元素转运体及胶质细胞与神经元间的病变关系等方面深入阐明碳纳米管的神经毒理机制，为准确评估碳纳米管对神经系统的潜在风险和影响提供科学依据，并为降低其毒性与合理应用提供新依据。

在课题进行的三年中，首先，我们对不同性质的碳纳米管（CNTs）进行测试表征，建立了基于核技术的测定CNTs中金属杂质的高灵敏、高准确的定量分析方法，并成为国际标准化组织与国际电工组织正式颁布的CNTs纯度鉴定的国际标准 (ISO/IEC TS 13278）；其次，研究了CNTs在不同生物微环境中的行为及对细胞活性的影响，结果表明：CNTs吸附血液蛋白降低其细胞毒性，金属残留物能够从CNTs溶出至生物微环境，金属残留物能够通过Fenton反应生成自由基，自由基生成量呈pH依赖性，同Fe含量呈正相关，CNTs降低细胞活力的能力同金属含量呈正相关，Fe在羟基自由基的生成、细胞活力的降低和胞内ROS的生成中起到重要作用；再次，在细胞水平和动物水平评价了CNTs的毒理学效应，结果表明：高铁杂质的CNTs会对神经PC12细胞带来明显的毒性效应，并影响PC12细胞的神经分化，大大减少细胞间形成突触连接的数量；短的MWCNTs更容易被PC12细胞内吞，促进神经细胞分化，可能是因为短的多壁碳纳米管可以上调神经营养因子表达通路，这其中包括TrkA/p75受体和Pincher/Gap43/TH蛋白的表达；SWCNTs可造成动物急剧严重的心肺损伤，金属残留物的存在加剧SWCNTs诱发的负面效应。最后，因为碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构，所以我们还增加了石墨烯的研究内容，研究表明未修饰石墨烯能够通过降低线粒体膜电位以及增加细胞内的活性氧，从而激活线粒体途径，触发细胞凋亡。. 上述研究内容建立了核技术作为测定CNTs中金属杂质的高灵敏、高准确的定量分析方法，总结了碳管促进细胞神经分化过程的分子机理，阐明了CNTs的机体损伤机制，其中发表在PNAS, 2011, 108(41), 16968的论文入选ISI web of knowledge "Highly cited papers (last 10 years)" 和 "Hot papers (last 2 years)"。这些研究结果对解释目前关于CNTs生物安全性矛盾结论提供一定的科学依据，对理解CNTs以及其它纳米颗粒的体内/体外毒性以及设计安全的纳米材料具有重要意义。项目负责人因为在纳米国际标准和纳米材料安全性研究方面所做的贡献，2011年获“中国标准化杰出人物——创新人物”，2012年获国家自然科学二等奖(排名第二)。