碳纳米材料与细胞溶酶体的相互作用研究

碳纳米材料包括富勒烯如C60，金属富勒烯如C82@Gd，碳纳米管CNTs及其衍生物等，是重要的纳米生物医学材料，具有广泛的应用前景。阐明它们的生物学功能和效应，研究它们与细胞以及细胞器相互作用的过程和机制是非常必要的。溶酶体是胞质内由单层膜包围的含有酸性水解酶的小泡，凡与溶酶体融合的吞噬小泡中内含的代谢产物经由这些水解酶作用后均可降解成小分子。大量实验表明碳纳米材料经细胞胞吞后定位在细胞溶酶体细胞器，但是这些碳纳米材料是否或怎样在溶酶体内被降解等生物学效应却并不清楚。.本项目拟以溶酶体为切入点，深入研究C60、C82@Gd和碳纳米管CNTs 三类碳纳米材料及其衍生物的细胞生物效应，尤其是它们进入细胞后如何变化、运输及与溶酶体内容物、溶酶体膜以及与溶酶体凋亡相关的上下游信号之间的相互作用，从而阐明这些碳纳米材料之间不同的细胞生物学效应的分子机理，为碳纳米材料的生物医学应用奠定理论和实践基础。

该项目是纳米生物材料生物效应研究领域关注的热点问题之一，也是国际纳米生物学研究的前沿和难点问题。本项目研究了碳纳米材料与细胞溶酶体、溶酶体膜和溶酶体内容物以及细胞膜之间的相互作用关系。具体包括：富勒烯C60、碳纳米管CNTs和金属内包富勒烯衍生物的合成、修饰、荧光标记及表征；细胞溶酶体在C60(C(COOH)2)2 抑制Hela细胞因TNF诱导凋亡中的作用; 富勒烯C60、碳纳米管CNTs衍生物诱导细胞溶酶体膜蛋白（LAMP-1）与细胞膜的交换以及调控细胞分裂过程中膜泡的生长，水溶性的碳纳米材料衍生物很容易粘附于细胞膜表面，且能通过胞吞作用进入细胞定位于溶酶体，而在溶酶体中的这部分纳米颗粒容易与细胞膜发生交换作用，重新排列分布于细胞膜磷脂双分子层中，显著延长细胞分裂过程中膜泡在细胞膜表面的维持时间，导致细胞长时间不间断有膜泡的生长; 碳纳米材料和PS纳米颗粒对细胞分裂过程及细胞膜的影响; 动力学计算机模拟富勒烯C60对溶酶体膜稳定性的影响; 依赖于actin-tail的金属富勒烯碳纳米材料经溶酶体的细胞外排过程。通过以上内容研究，本项目解决了不同碳纳米材料与细胞溶酶体相互作用的异同、在溶酶体膜和细胞膜之间交换关系的异同等关键问题。碳纳米材料对溶酶体的相互影响有哪些特异性的作用方式和作用分子：富勒烯C60分子和碳纳米管通过影响细胞溶酶体膜来影响细胞的功能；几种不同碳纳米材料对溶酶体的相互作用方式存在哪些相似性和特异性：由于结构差异，虽然同是碳纳米材料，金属富勒烯C82@Gd通过因溶酶体-细胞膜交换的纳米颗粒来影响膜泡的生长，而C60和碳纳米管的的影响并不显著；这些碳纳米材料最终是否能在细胞溶酶体中被降解并排出，从溶酶体研究角度分析它们对生命体是否安全以及潜在的危害性：这一类碳纳米材料均能外排出细胞，只是外排作用方式和时间存在差异，水溶性修饰的碳纳米材料对细胞均无细胞毒性，其潜在危害性较小。. 该项目研究从溶酶体角度为碳纳米材料的细胞生物安全性研究提供了实验基础。部分结果已撰写成学术论文发表在Small（2012，DOI: 10.1002/smll.201201508），Biomaterials (2011, 32, 4030;) Biomaterials （2011,32, 8291)及Current Drug Metabolism等杂志上。