氧化石墨烯在体液中理化性质转化影响其生物有效性的机制研究

A growing number of studies and usage of graphene nanomaterials inevitably leads to the existence of certain environmental and health risks. As one of the most important kinds of graphene nanomaterials, graphene oxide (GO) could induce toxic effect in vitro and in vivo through interaction with cell membrane and lysosomes. However, the transformation of GO in vivo, and the impact of transformation on GO’s bioavailability, still need to be further elucidated. GO with different diameters and surface properties are selected in this project. Blood, lung fluid, and gastric fluid are employed for mimic the environment in vivo. This project first characterize the physicochemical change of GO after incubated in body fluids in terms of morphology, surface groups, oxidation/reduction, and proteins adsorbed onto GO. Second, the abilities of inducing toxic effects, such as cell death, oxidative stress, and inflammation, will be compared between original GO and GO after incubated in body fluids in macrophage, blood cell, lung and gastric epithelial cells. On the basis above, through investigating the sub-cellular location of GO, the influence of GO on the morphology and function of cell membrane and lysosomes, we demonstrate the mechanism that the transformation process impacts the bioavailability of GO in vivo. This project will provide systematic assessment for the environmental health risk of GO.

石墨烯类新材料的广泛开发和使用导致其存在一定的环境和健康风险。作为最重要的一类石墨烯衍生物，氧化石墨烯（graphene oxide, GO）可与细胞膜、溶酶体等作用并引发体内/外毒性。原始态GO进入生物体后，在体液中离子、化合物、蛋白等作用下，将发生理化性质转化，并对GO的生物有效性产生影响。但针对这一关键过程的研究尚有待进一步开展。本项目拟以血液、肺液、胃液为模型，以不同尺寸和表面性质的GO为代表，首先从形貌、表面基团、氧化还原程度、表面结合蛋白等方面，表征GO在体液中理化性质改变。其次，在巨噬细胞、血液细胞、肺及胃组织上皮细胞中，比较原始GO与转化后GO细胞毒性、氧化应激、炎症反应等生物终点的差异。最终，通过比较转化前后GO的亚细胞定位，对细胞膜和溶酶体结构、功能的影响，阐释GO在体液中的转化影响其生物有效性的关键作用机制。本项目的开展，为系统评估GO的环境健康风险提供新的科学依据。

作为重要的碳纳米材料和二维纳米材料，氧化石墨烯（GO）在电子、医药、环保等领域具有十分广阔的应用前景。然而，GO在生物体内复杂体液环境中的转化过程和生物效应却鲜有报道。本项目以小鼠组织器官内真实体液以及体外配制的模拟体液为模型，探讨了GO在体液环境中的生物转化过程以及这一过程对GO的理化性质、与生物体相互作用、生物相容性以及生物医学应用潜能的影响。肺脏是GO在生物体内累积的主要靶器官，我们制备了两种模拟肺液进行研究——Gamble溶液和ALF溶液，分别模拟肺部深处的肺间质液体以及颗粒物被肺泡上皮细胞以及肺间质巨噬细胞吞噬后的环境（模拟溶酶体酸性环境） 。研究结果显示，GO在两种模拟肺液中孵育后，理化特性发生了显著改变，包括GO被还原以及材料表面褶皱增多。值得一提的是，不同的模拟肺液环境使得GO发生了不同程度和方式的团聚，进而显著影响了GO与巨噬细胞的相互作用以及诱导的炎症反应。具体而言， face-to-face的团聚方式使得Gamble-GO在培养基中容易沉降，不易进入细胞，诱导的炎症反应比原始GO弱；而ALF-GO易于以edge-to-edge的方式团聚，形成大的GO纳米片粘附在巨噬细胞表面，进而通过TLR4受体通路诱导更强的炎症反应。小鼠真实肺环境的实验也验证了上述结果。此外，模拟肺液中的转化过程对GO的生物医学应用也有显著影响。与原始GO相比，Gamble-GO和ALF-GO的光热效率更高，在体内和体外都表现出更好的光热杀伤肿瘤效率。与此同时，肺液中的转化过程使得GO上负载的化疗药物（如：阿霉素）更易从GO上释放。材料的修饰与改性可以显著影响GO与生物体的相互作用以及生物安全性。在此基础上，我们的研究结果还显示，生物体中存在的污染物也可能会与GO发生复合作用，进而影响二者最终的生物效应。上述研究结果为系统评估 GO 的环境健康风险，也为GO在生物医药领域更为安全、高效的应用提供新的思路和科学依据。