核分析技术研究稀土元素标记氧化石墨烯在小鼠体内的分布、代谢和清除途径

The adsorption, distribution, metabolism and clearance (ADME) profile of nanomaterial in vivo determine the balance between nanomaterial-induced activity and unwanted toxicity. In the study, to reveal the effects of biophysicochemical factors of GO on ADME patterns, the ADME properties of “Marker of self”signal functionalized graphene oxide was investigated via a dual-labellling strategy by rare-earth elements. In order to explore the dynamic uptake and clearance mechanism of GO in vivo , systematic interaction between GO and monoclear phagocytosis system ( including liver, spleen, and lung) and kidney was further investigated. The effects of protein corona formation and dynamic evolution on GO surface on their ADME behavior was also studied at organ, cellular and molecular level.

本研究拟合成片层大小不同的氧化石墨烯(GO)，以“自我”功能信号分子（CD47, CD31，Complement factor H，BSA）对其表面进行修饰，通过稀土双标记方法，研究GO在体内分布、转运、代谢和排出（ADME）的动力学特征，揭示GO表面生物物理化学性质对ADME行为的影响规律；通过原位研究GO与单核吞噬细胞丰富的组织（MPS）及肾组织的相互作用，揭示组织不同类型的细胞对GO摄取、转运或清除的模式及动态过程；通过原位同步辐射小角散射技术（SAXS）和同步辐射红外光谱显微成像技术（SR-FTIR）研究GO在体内蛋白冠的形成及演化规律，从组织、细胞和分子层面研究GO-蛋白冠形成及演化对其在体内ADME动力学过程及与MPS组织相互作用的影响，为GO表面调控和安全应用于生物医学领域提供实验和理论基础。

本项目利用GO表面丰富的羟基、羧基、羰基和环氧基团与金属可以形成共价和非共价结合的特性，将生物体内含量极低的稀土元素稳定标记在GO表面，建立稀土双标记的方法。通过该方法，定量研究了GO在体内代谢动力学、转运和清除过程及机制。研究了表面不同修饰的GO对其在体内分布、转运的影响；研究了横向尺寸对GO经体内排出的影响。研究发现，单层、分散性良好的GO由于其柔软的物理特性，在体内转运过程可以发生折叠、卷曲等形状改变，从而可以通过改变形状穿越肺毛细血管进入肺泡间隔；穿越肝脏血窦间隔进入肝细胞；也可穿越脾脏血窦间隔进入脾脏白髓的边缘区（Marginal zone, MZ）。GO具有的柔软的折叠、卷曲变形特性甚至可以使其通过肾脏经尿液排出体外。GO穿过血管内皮屏障的能力有利于其作为药物传输载体载带药物进入实质组织。进一步研究了共价聚乙二醇（GO-PEG）和非共价聚乙烯吡咯烷酮（GO-PVP）修饰的氧化石墨烯和在动物体内的蓄积、转运和代谢特性。研究发现，GO-PEG 和 GO-PVP 在体内呈现明显不同的分布模式。GO-PVP注射组，GO在小鼠肺脏/肝脏、肺脏/脾脏的蓄积率比GO-PEG注射组分别高230倍和30倍，表明GO-PVP在肺部具有明显的蓄积性。我们还研究了横向尺寸不同的氧化石墨烯 (s-GOs 和l-GOs) 经尾静脉注射后，氧化石墨烯的横向大小对其经小鼠肾脏排泄途径的影响。证实了s-GOs和l-GOs都可以经肾脏排出体外，而l-GOs主要通过近端小管分泌排出体外，并且其肾脏清除率比s-GOs快得多。