氧化石墨烯类材料与肺表面活性剂作用的分子机理研究

The study on the interaction between inhaled nanoparticles and pulmonary surfactant has attracted much attentions in recent years due to their potential threat to lung. Now, the effective mechanism for the injuries can’t be drawn from the researches based on the model of monolayer at the air/water interface because on this model, the physic-chemical parameters that can be determined are very limited and only the surface tension or surface pressure is detected so as to deduce the nanomaterial-induced lung injury. Graphene oxide (GO) nanomaterials pose potential health hazards to respiratory system due to smaller aerodynamic equivalent diameter and potential large-scale applications. The project plans to construct the bilayer membrane model using the pulmonary surfactant components on which the full interaction between nanomaterials and membrane is obtained, including single-component, mixed-component and pulmonary surfactant model membranes. Through the combination of confocal microscopy, surface-enhanced infrared spectroscopy and electrochemistry, the intensive investigations on the interaction between GO derivatives and pulmonary surfactant are in-situ and real-time made microscopically so as to obtain the valuable chemical information and disclose the molecular mechanism for the nanomaterial-induced injury of pulmonary surfactant.

近年来，研究吸入性纳米材料与肺表面活性剂的作用因其对肺功能的潜在影响而受到广泛关注。目前很多研究是基于气液界面单层膜的模型，由于所检测到的物化参数有限，仅能从表面张力或表面压的角度进行监测和推演纳米材料所导致的肺损伤，无法获取详细的损伤机理。石墨烯类纳米材料，因其较小的空气动力学当量直径和潜在的大规模应用，很可能成为呼吸系统的新杀手。本项目拟依据肺表面活性剂组分构建可以为材料与膜提供充分作用环境的多种双层膜模型，包括单组分膜、混合组分膜、以及肺表面活性液膜模型膜，结合荧光共聚焦显微镜、表面增强红外光谱、和电化学，在微观上原位实时、深入细致的研究氧化石墨烯类纳米材料与肺表面活性剂膜的相互作用，以获得有价值的化学信息，从而从分子水平揭示纳米材料诱导肺表面活性液膜损伤的分子机理。

随着科学的发展与进步，纳米科技离人们的生活越来越近。由此，也产生了人们对于纳米材料生物毒性的担忧。近年来，石墨烯是纳米材料中的明星材料，氧化石墨烯类材料也是纳米生物医药研究领域的热点材料。然而，石墨烯类材料独特的结构特点使其空气动力学当量直径远小于可吸入颗粒物的临界值。与造成雾霾天气的大气颗粒物一样，绝大部分石墨烯材料能够通过呼吸道深入细支气管和肺泡并沉积在其表面，对肺产生严重持久性的损伤。尽管吸入性纳米材料与肺活性液膜的作用因其对肺功能的潜在影响而受到广泛关注，但仍面临宏观现象与微观机制内在联系缺失的问题，迫切需要从分子水平揭示纳米材料诱导肺表面活性液膜损伤的分子机理。本项目发展了基于表面增强红外光谱电化学的分子水平免标记和基于荧光成像的可视化研究方法，构筑了单组份和混合组份仿生膜模拟肺表面活性液膜。结合激光扫描共聚焦显微镜、表面增强红外光谱和电化学分析方法，系统研究了氧化石墨烯类纳米材料与肺活性液膜的相互作用。主要学术成绩包括（i）揭示了氧化石墨烯类材料与肺活性液膜组份相互作用的分子基础及界面弱相互作用的协同机制；（ii）揭示了氧化石墨烯类材料诱导肺活性液膜结构损伤和功能障碍的毒性机理及其与肺活性液膜“舒-张”循环的交互作用；（iii）揭示了跨膜电位与界面水和界面相互作用的交互调控机制。我们的研究揭示了氧化石墨烯类纳米材料与肺活性液膜相互作用的分子机理，为评估石墨烯类材料公众健康威胁和进一步发展石墨烯类材料提供了科学依据。在此项目的资助下，我们已在Angewandte Chemie International Edition、Analytical Chemistry等国际著名期刊发表论文 29 篇，出版学术专著1章节；申请国内发明专利 3 项，其中授权 1 项；1人获国家杰出青年科学基金，1人入选中国科学院青年创新促进会；培养博士研究生5名，硕士研究生4名，5人次获研究生国家奖学金。