药物载体纳米颗粒激活补体介导的免疫学效应及其机制探讨

Nano-material biosafety is one of the key problems urgent to be solved during the development period of nanotechnology nowadays. In our project, based on the forefront of immune response induced by drug carrier nanoparticles (NPs), We planned to use absorbed completment contact with NPs in blood as a breakthrough point. 1) The relation between pathway of activated complement and physical and chemical characteristics of NPs was found. And the regulation mechanism of complement correlated regulatory proteins can be illuminated from signal pathways. 2) Through investigating effect on Receptor -ligand between activated complement and dendritic cell (DC), T cell, B cell, we try to explain how NPs were identified, phagocytized, inducing cells, and to interpret molecular mechanism of specific immune response by NPs activating complement. 3) We also plan to illuminate mechanism of inflammatory reaction and endothelial cell damage once nonspecific immune response of leucocytes induced by activated complement was studied. So in our project, we tries to explain 2 to 3 key scientific problems about immunologic effect, pathway and related mechanism when complement was stimulated by NPs. This project wills fill the gaps at home and abroad in the field of research on the relation of NPs, complement and immunologic system. Furthermore, it provided prerequisite in order to avoid applied risk of drug carrier NPs.

纳米材料的生物安全性是纳米科技发展中亟待解决的核心科学问题之一。本项目立足于药物载体纳米颗粒（NPs）致机体免疫应答的研究前沿，以颗粒吸附血液重要成份之一的补体系统为切入点，1）结合不同NPs的理化特性，发现NPs致补体活化的途径和反应规律，从信号通路上阐明NPs介导的补体相关调节蛋白的调控机制；2）探讨补体活化片段与树突状细胞及T、B等重要免疫细胞间受体-配体间的相互作用，从分子水平上揭示NPs被识别、吞噬、诱导细胞活化等免疫反应的规律，阐明NPs通过激活补体系统对机体特异性免疫应答的分子机制；3）研究补体活化片段激活白细胞产生的非特异性免疫反应，阐明NPs导致的炎症反应对血管内皮细胞损伤的机制。项目最终拟解决2-3个有关NPs在补体系统参与下的免疫学效应、途径及其相关机制等关键的科学问题，填补国内外在NPs与补体-免疫系统相关领域中的研究空白，为规避药物载体NPs的应用风险提供科学依据

纳米药物载体在应用过程中最终都要进入血液，补体系统是纳米颗粒接触的重要防线，并将始终参与免疫应答的每一步，且由于血液中存在多种免疫细胞，纳米颗粒很可能通过影响补体系统而导致一系列的免疫学应答，这也提示研究纳米颗粒-补体-免疫细胞相互关系的必要性。本课题选择羟基磷灰石纳米颗粒（HAP-NPs）、二氧化硅纳米颗粒（SiO2-NPs）和聚苯乙烯纳米颗粒（PS-NPs）为研究对象，在探讨颗粒对补体激活效应及调控机制的基础上，试图揭示NPs活化的补体对免疫细胞的损伤作用，并结合单核细胞对“纳米颗粒-蛋白质环”的识别机制，阐明纳米颗粒-补体-免疫细胞三者间的关系，为规避纳米药物载体的应用风险提供科学依据。. 研究发现HAP-NPs对SP和CD59有明显吸附，而SiO2-NPs对C1q家族及CFD和CFB有选择性吸附。并且NPs可以引起补体的激活，结合蛋白吸附，我们推测HAP-NPs吸附C1q并释放C1r/C1s，导致了经典途径的补体激活；SiO2-NPs吸附C1r/C1s、CFD和CFB，导致替代途径的补体激活。同时NPs激活的补体片段能够明显引起THP-1细胞ROS、Histamine及细胞因子的增加，并导致NF-κB激活，以及HUVECs粘附分子表达增加。因此，HAP-NPs和SiO2-NPs通过激活补体可利用NF-κB通路致单核细胞的氧化应激损伤，诱导白细胞聚集粘附、细胞因子表达导致炎症反应，以及增加血管通透性造成内皮细胞的损伤等。. 结果还发现NPs激活的补体片段均能够明显引起DC表面CR3、CR4的下降、T细胞表面CD4升高以及B细胞高表达C3b和C3d。因此纳米颗粒可通过补体的活性片段，影响DC的杀伤作用、吞噬作用以及递呈和活化，并揭示了补体参与下NPs致T和B细胞活化的效应机制。另外，吸附补体蛋白的HAP-NPs可诱导CR3的表达，而吸附补体蛋白的SiO2-NPs可同时引起TLR4/ CR1/ CR3上调。因此，HAP-NPs-蛋白环仅通过iC3b/CR3的模型被单核细胞识别；而SiO2-NPs-蛋白环则可能通过TLR4、CR1或CR3被识别。由此提示，在药物载体的应用过程中，可通过表面改性等方法来规避颗粒被免疫细胞清除的可能。