纳米材料引发细胞炎性响应和自噬流异常的高通量检测研究

Nanomaterial-induced inflammatory response and autophagy disruption are considered to be involved in biomaterial-induced chronic inflammatory diseases including nephrogenic systemic fibrosis, joint inflammation and osteolysis. In terms of the large number of nanosized functional biomaterials, it is difficult to perform rapid and efficient evaluation for nanomaterial-induced inflammatory response and autophagy disruption. Based on the high throughput instruments in our group, we designed three detection approaches including reporting gene, enzyme substrate and cytometric bead assay, which could be further integrated into a high throughput paradigm for the biosafety evaluation of >40 rare earth nanomaterials used in bioimaging. This high throughput paradigm is supposedly to be an effective tool for rapid biosafety evaluation of nanosized biomaterials, structrue-activity relationship analysis, and prediction of hazard effects in animals. This project will greatly facilitate the risk assessment of nanosized biomaterials for the induction of chronic inflammatory diseases, and provide guidance for the safe design and biomedical application of nanoproducts.

纳米颗粒引发的细胞炎性响应和自噬流异常是生物材料在临床上造成肾源性全身纤维化症，关节炎症，骨溶解等炎症相关疾病的重要诱因。面对种类繁多的功能化纳米生物材料，如何快速、高效、低成本地评估其引发的炎性响应和自噬流异常是当前纳米生物安全性研究中一个急需解决的难题。本项目基于已有的细胞高通量检测设备，针对纳米材料引发的炎性响应和自噬流异常，设计了基于报告基因/酶底物/流式微球分析的检测方法，拟将其整合为一个高通量的检测平台，对40多种用于生物成像的稀土纳米材料的生物安全性进行评价。此平台技术将是高效率评价纳米材料生物安全性，探索其构效关系，预测其动物体内危害的有力工具。本项目的实施可有效评估纳米生物材料引发炎症相关疾病的风险，对纳米产品的安全性设计和生物医疗应用具有指导意义。

细胞的炎性响应和自噬流异常会导致阿兹海默症，肿瘤，感染等疾病发生，同时也是造成生物材料在临床上引发肾源性全身纤维化症，关节炎症，骨溶解等慢性疾病的重要原因。面对种类繁多的功能化纳米生物材料，如何快速高效地评估其引发的炎性响应和自噬流异常是当前纳米生物安全性研究面临的一个难题。该项目实施后，成功构建了包括8种预测标志物的高通量毒性检测平台，探索了60多种不同理化性质纳米颗粒的毒性效应。发现了2种纳米颗粒引发肺组织炎症的毒理学机制：NLRP3炎性小体激活和铁死亡；解析了3种纳米毒理学构效关系理论：表面空穴-铁死亡、表面电负性-炎性响应、表面催化活性-免疫毒性；发展了4种纳米安全性修饰的新方法：空穴修复、表面涂覆、形貌控制、蛋白冠调控。该项目研究成果具有以下三方面的科学价值：①就理论方面：通过对纳米-细胞界面相互作用分子起始事件的解析，在已有氧化应激响应和细胞凋亡、坏死等毒性机制之外，发现纳米颗粒在免疫、上皮细胞内的生物转化引发的两条致毒新机制；②就方法方面，发展了蛋白-代谢双组学的多维度纳米毒性构效关系检测方法以及C4.5决策树的机器学习研究方法，发现了影响金属氧化物及二维纳米颗粒生物安全性的3种纳米毒性构效关系，实现对纳米颗粒物毒性的精准预测；③在纳米毒性构效关系指导下，发展了4种安全性修饰与合成方法，可以精准去除或者屏蔽其毒性相关的关键理化性质，在保持其实用性能（润滑性、吸光性能、荧光响应等）的同时，改善生物安全性，防止纳米产品环境暴露释放后可能带来的健康危害。