血浆蛋白质在髓过氧化物酶生物降解单壁碳纳米管中影响机制的研究

Single-walled carbon nanotubes (SWCNT) can be oxidatively degraded by hypochlorous acid (HOCl) and reactive radical intermediates of the human neutrophil enzyme myeloperoxidase (MPO). The biodegradation of carbon nanotubes may be an important determinant for effective and safe design of nanomaterials in biomedical applications. In our previous study, it was found that different from the insignificant effect on isolated neutrophils, SWCNT stimulated neutrophils in whole blood, as evidenced by the increase of release of MPO in plasma. However, the possible critical role of plasma proteins in SWCNT biodegradation was unknown. Considering the intimate relationship among SWCNT, MPO and plasma proteins, and the fact that MPO catalyzes the biodegradation of SWCNT, we hypothesized that plasma proteins could significantly influence MPO-mediated SWCNT biodegradation. To confirm this hypothesis, the effects of different human plasma proteins on MPO-catalyzed SWCNT biodegradation were first studied in vitro. Then, the important role of human plasma protein-SWCNT interactions in MPO release and SWCNT biodegradation were investigated in neutrophil cell model. Furthermore, the effect of SWCNT on MPO release and SWCNT biodegradation were clarified in rabbit plasma. The implementation of this project will demonstrate the novel mechanism of plasma proteins in MPO-mediated SWCNT biodegradation, and therefore shed new light on the safe applications of carbon nanotubes by comprehensive preconsideration of their interactions with human plasma proteins.

单壁碳纳米管(SWCNT)能被髓过氧化物酶(MPO)及其催化产生的次氯酸(HOCl)氧化降解，碳纳米管的生物降解对于其在生物医学中的应用有重要指导意义。我们前期研究发现，SWCNT能激活血浆中的中性粒细胞释放MPO，但是不能直接激活中性粒细胞释放出MPO，其生理影响尚未阐明。基于MPO能生物降解SWCNT的现象，结合SWCNT与MPO、血浆蛋白质的密切关系，我们推测血浆蛋白质在MPO生物降解SWCNT中发挥关键作用。为证实这个假说，本项目拟先在体外化学体系中研究不同血浆蛋白质的存在对MPO氧化降解SWCNT的影响规律，再在中性粒细胞上探讨SWCNT在与血浆蛋白质结合前后对MPO释放的影响以及自身降解的情况，然后进一步研究SWCNT对兔血浆中MPO释放的影响及自身降解的情况。本项目的实施，将有助于阐明血浆蛋白质影响MPO生物降解SWCNT的新机制，其结果可能为碳纳米管的安全性应用提供新思路。

分别在中性粒细胞、巨噬细胞和体外生化体系中研究了血浆蛋白质与单壁碳纳米管(SWCNT)的结合，并研究了不同蛋白冕对SWCNT生物降解及细胞毒性的影响。(1)免疫球蛋白G(IgG)通过与SWCNT结合影响中性粒细胞中MPO的释放以及SWCNT自身的降解。在中性粒细胞中，与未结合IgG的SWCNT相比，IgG的存在可以显著促进中性粒细胞中MPO和HOCl的产生，同时，IgG的存在能加速SWCNT的降解和被中性粒细胞摄取。在IgG-SWCNT被中性粒细胞氧化降解的过程中，MPO和NADPH氧化酶发挥关键作用。(2)牛血清白蛋白(BSA)的结合会影响SWCNT的生物降解和细胞毒性。在巨噬细胞中，与未结合BSA的SWCNT相比，BSA的存在显著促进巨噬细胞中MPO、HOCl和ONOO-的产生，同时加速SWCNT的降解。另一方面，BSA的存在可以降低SWCNT的细胞毒性。(3)三种血浆蛋白质对SWCNT细胞毒性的影响。我们研究了人血液中三种主要蛋白质，IgG、人血清白蛋白（HSA）和纤维蛋白原（FG）与SWCNT的结合，并研究了不同蛋白冕对内皮细胞毒性及血液中性粒细胞免疫反应的影响。吸附参数的测定表明蛋白质与SWCNT紧密结合，SWCNT对血浆蛋白质的吸附能力：FG>HSA>IgG。此外，碱性氨基酸（Arg，Lys，His）在蛋白质冕复合物的形成和吸附能力中起着非常重要的作用。与蛋白吸附能力相一致，FG比其他两种蛋白质更显著地降低SWCNT对人脐静脉内皮细胞的毒性作用。在中性粒细胞中，仅用IgG处理SWCNT，会使得碳纳米管诱导的MPO释放（即中性粒细胞活化）增强，经MPO降解的碳纳米管引起的细胞毒性要小于未处理的纳米材料。与蛋白质冕这些作用相一致，血清的存在可以减弱碳纳米管细胞毒性以及其引起的血浆中性粒细胞活化。本项目揭示了血浆蛋白质对SWCNT生物降解和细胞毒性的影响机制，为SWCNT的生物相容性和安全性应用提供新思路。