过渡金属硫化物纳米材料的生物效应与安全性研究

Transition metal dichalcogenides (TMDs) nanosheets, such as MoS2、WS2和WSe2 are a new kind of two-dimensional nanomaterials emerging after graphene. Due to their intriguing physical and chemical properties, TMDs nanosheets have been proposed in biomedical application, including biosensors, bioimaging and cancer therapy. However, the research on the biosafety of TMDs nanosheets is still at the very early stage. Therefore, the aim of our study is to address the fundamental issue of the biosafety of TMDs nanosheets and to examine how the physical and chemical properties of TMDs nanosheets can impact in vitro toxicity and in vivo biodistribution, transportation, degradation and clearance and possible toxicological behavior. This study will provide basic data for the further toxicity research standard formulation of TMDs nanosheets and opens up new opportunities for the development of nanotoxicology.

以MoS2、WS2和WSe2为代表的过渡金属硫化物（TMDs）二维纳米材料，由于其特殊的物理化学性质，已在生物检测、生物成像和肿瘤治疗等生物医学领域有着广泛的应用。然而，目前对这类材料的研究集中在物化性质和应用，而对其生物效应和安全性的系统研究仍然很少。本申请拟围绕以TMDs二维纳米材料的生物效应这个中心问题，从这类纳米材料的理化特性入手，深入研究不同理化特性的纳米粒子的生物效应与安全性，在细胞和小动物水平上揭示纳米材料与生物体的相互作用，进入生物体途径，在生物体内分布和代谢情况，生物毒性等基本问题，对这类材料的安全性评估提供重要数据和支持。同时，利用TMDs二维纳米材料良好的光学性能，丰富的尺寸和形貌，多样的表面修饰方法等，将这类材料作为理想的纳米毒理学研究工具和模型，建立具有一定通用性的纳米材料生物效应评价体系，获得纳米特性对其生物效应的的影响规律。

目前，有许多疾病可以影响胃肠道系统的功能，比如感染、炎症和癌症。为了确保胃肠道患者能够及时接受合理的治疗并具有良好的生活质量，对胃肠道系统的解剖病理学检查是胃肠道系统疾病诊断所必须的。在许多非侵入性的胃肠道成像检查中，X射线计算机断层扫描（CT）由于其高分辨率、没有深度限制、并允许三维重建等优点已成为临床诊断的一种重要成像模式。铋基纳米材料因铋元素具有较大的原子序数（Z=83）以及超高的X射线衰减系数，因此可以作为新型CT造影剂用于活体研究。本工作首先探索了用一种简单而绿色的方法来制备具有较高CT成像效率和低毒性的铋基纳米材料，并用于活体胃肠道的CT成像。我们使用生物相容性良好的牛血清白蛋白稳定硫化铋纳米颗粒（BSA@Bi2S3）。该纳米颗粒可以在三维计算机断层扫描成像上勾勒出小鼠胃肠道的解剖结构，并可实时无创地观察纳米颗粒在胃肠道的分布和代谢。此外，口服给药后对BSA@Bi2S3纳米颗粒的长期毒性和生物分布的研究结果表明它们在实验使用剂量下具有良好的安全性。该研究中的BSA@Bi2S3纳米颗粒可以成为用于胃肠道可视化和疾病诊断的潜在药物。.此外，许多胃肠道疾病是由细菌感染引起的。为了治疗胃肠道细菌感染，临床上已经使用了各种抗生素。但是，细菌的耐药问题日益严重，这迫切需求研发有效的抗生素替代品。本研究中，我们又构建了一种双功能的Bi2S3@mSiO2@Ag纳米复合材料，用于增强胃肠道CT成像效果和胃肠道细菌的抗菌能力。该纳米复合物具有良好的稳定性，低细胞毒性和可忽略不计的溶血作用。给小鼠口服Bi2S3@mSiO2@Ag纳米复合材料的长期毒性和生物分布的研究也进一步证实了其在使用剂量下的安全性。分散在二氧化硅基质上的Ag纳米颗粒可以降低Bi2S3@mSiO2@Ag纳米复合材料的抗菌剂量并增强其抗菌活性。我们还建立了细菌感染的肠炎动物模型，已证实该纳米复合材料的抗菌能力。这项工作开辟了一个新的途径，用于可以设计纳米级的诊疗剂，既有潜力用作增强胃肠道可视化的造影剂，又有可能用作抗菌素的替代品。