mPEG-PLA纳米胶束与DDT的吸附作用及其复合毒性效应

Due to the biocompatibility of nanocarriers, inadequate attention has been paid to their potential risks towards the environment and human health until now. However, since a variety of pollutants are coexisting in the real environment, the adsorption of organic pollutants on the nanocarriers may potentially impact their environmental geochemical behaviors, including the fate and interface behavior, as well as the toxic effects, which is an important aspect of the risk assessment of nanomaterials. In the project, we take mPEG-PLA nanocarriers as an example to quantitatively investigate the adsorption interactions between DDT, dissolved organic matter (DOM), and the mPEG-PLA nanocarriers, to monitor their water-biomembrane interface behaviors, and to study the combined toxic effects against the model cells. With the applications of the advanced analyzing techniques, like quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) and real-time cell analysis (RTCA), we will provide an accessible approach to predict and assess the adsorption interactions, interface behaviors, and the combined risks of nanocarriers and the organic pollutants. The results will be useful for the construction of the risk management and control system of nanotechnologies and nanomaterials.

由于纳米药物载体通常具有良好的生物相容性，其潜在环境和健康风险一直被人们忽视。实际环境中是多种污染物同时存在的，纳米药物载体对环境中有机污染物的吸附可能影响污染物的归趋、界面行为等环境地球化学过程和毒性效应，是纳米材料风险评价的重要组成部分。本项目以mPEG-PLA纳米胶束为例，利用石英晶体微天平（QCM-D）、实时无标记细胞功能分析仪（RTCA）等现代分析手段，定量研究mPEG-PLA纳米胶束对有机质和DDT的吸附作用， mPEG-PLA纳米胶束与DDT及其复合物的水-生物膜界面行为，以及纳米胶束复合物对模型细胞的毒性效应及机制，建立相关的测试和研究方法，为准确评价纳米药物载体和有机污染物的相互作用、界面行为及其复合生物生态风险提供技术手段和数据支持，从而促进纳米材料风险管控体系的平台建设。

随着纳米药物的研究、生产和使用越来越多，其重要成分纳米药物载体将不可避免的排放到环境中。由于纳米药物载体通常具有良好的生物相容性，其潜在的环境和健康风险一直被人们忽视。然而，实际环境中是多种污染物同时存在的，纳米药物载体进入环境后将会与共存污染物相互作用，从而造成更为复杂的环境影响和毒性效应。本研究选取两种典型聚合物纳米胶束作为模型纳米药物载体，研究了它们与有机污染物DDT的相互作用及其复合物的水-生物膜界面行为和毒性效应，并得到以下研究结果：①聚合物纳米胶束与DDT的相互作用不是物理吸附，而是分配作用，且DDT的分配亲和力与纳米胶束的结构有关。②模型细胞膜对DDT具有超大的吸附量，这是由于DDT分子可以通过扩散进入模型细胞膜的疏水内层。③聚合物纳米胶束与模型细胞膜的相互作用主要受其表面电荷影响，带正电的PEI-PA纳米胶束与模型细胞膜具有较强的静电相互作用，而由于静电排斥作用，表面负电的mPEG-PLA纳米胶束不能在模型细胞膜上吸附；与DDT形成复合物以后，虽然mPEG-PLA纳米胶束的与模型细胞膜的静电排斥减弱，但它们之间仅存在较弱的相互作用力，因此发生可逆吸附；PEI-PA纳米胶束的表面正电荷也由于与DDT形成复合物而降低，从而削弱了其与模型细胞膜的相互作用；复合物的形成可以降低DDT和PEI-PA纳米胶束的生物可利用性，但对mPEG-PLA纳米胶束无明显影响。④与聚合物纳米胶束形成复合物以后，相同浓度DDT的细胞毒性明显降低，这是由于溶液中游离的DDT浓度低于其致毒浓度，因此聚合物纳米胶束可以显著降低DDT的细胞毒性。本项目的研究结果能够为生物医用纳米材料的风险评估提供技术支持，并为纳米材料和有机污染物的复合生态环境风险提供理论依据和数据支持。