中國粉體網訊 中國科學院生態環境研究中心環境化學與生態毒理學國家重點實驗室劉思金研究組在納米材料的環境健康風險評價與毒理機制方面取得新進展，相關研究成果近期陸續發表于ACS Nano (Xu, et al. 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b04906), ACS Applied Materials & Interfaces (Bai, et al. 2018, 10: 20368-20376), ACS Sustainable Chemistry & Engineering (a) Zhang, et al. 2018, 6: 10374-10384; b) Wang and Liu, 2018, 6:4164-4173), Nanoscale (Wu, et al. 2018, 10: 14637-14650), NPG Asia Materials (Qi and Liu, et al. 2018, 10: 385-396) 和Nanotheranostics (Liu and Qi, et al, 2018, 2: 222-232)。
納米材料的環境健康風險與生物效應主要決定于材料自身的物理化學性質。如何系統全面地揭示納米材料理化特性決定的環境健康風險，一直都是環境健康研究領域的前沿科學問題與挑戰。為了回答這個科學問題，該課題組與德國漢堡大學教授Wolfgang J. Parak課題組開展了深入的合作研究，以金納米顆粒（gold nanoparticles, AuNPs）作為研究模型，歷經4年多的共同努力，在分子、細胞與動物水平上，考察了21種具備不同理化性質AuNPs的細胞毒性、與生物分子相互作用、蛋白冠形成、細胞吞噬和體內組織分布等生物作用行為的異同（圖1）。基于大量的實驗數據，創新性地運用統計學方法（hierarchical cluster analysis）尋找理化性質的決定機制和構效關系機制，發現眾多的物理化學性質與環境條件等因素綜合在一起決定了AuNPs的生物行為與效應，其中水合粒徑與表面電荷的影響更顯著（圖1）。此發現為納米材料的健康風險評估和毒性預測等相關研究提供重要的數據支持。相關成果發表于ACS Nano。同時，與合作伙伴一起利用計算模型揭示了納米顆粒物與生物分子的相互作用機制，相關成果發表于ACS Applied Materials & Interfaces。
目前，關于金屬納米材料（MNPs）的安全性評價仍存在諸多問題和挑戰，如多數研究集中于MNPs所導致的某個單一毒性通路，而沒有系統地考慮多種毒性通路的交互作用；而且多數研究采用高劑量暴露，不能有效地反映實際環境暴露條件下MNPs的健康風險。為此，該研究選擇了多種MNPs（包括稀土納米材料、納米銀、鐵氧化物納米材料、納米氧化鋅和納米二氧化鈦等），采用低劑量暴露，從多個角度系統地評價了MNPs對巨噬細胞的不良結局：細胞活力降低和死亡、氧化應激損傷、炎癥反應、細胞膜/細胞骨架損傷和吞噬能力降低等，發現了不同MNPs誘發細胞不良結局和相關毒性通路的異同，并進行了系統的總結和歸納，如圖2所示。相關研究成果發表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。在此基礎上，該課題組進一步發現了量子點等MNPs誘發胚胎發育毒性的分子作用機制，相關研究成果發表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。
作為極具應用前景的碳納米材料，石墨烯類納米材料在環境、生物醫學和能源等領域得到越來越多的開發和應用。目前對于石墨烯類納米材料的環境健康風險已展開了很多研究，但是對于此材料在環境介質和生物介質中的轉化過程及此轉化過程對其生物效應的影響了解甚少。為了揭示這個科學問題，該課題組系統探索了氧化石墨烯（graphene oxide，GO）在環境介質和體內肺生物介質中的轉化過程和毒性變化。該研究發現在環境介質中還原劑的作用下GO發生顯著的還原并轉化為還原態氧化石墨烯（reduced graphene oxide，RGO），GO與RGO具有不同的含氧官能團并表現出顯著不同的賦存形態，最終導致對巨噬細胞產生顯著差異的毒性效應（圖3）。相關成果發表于Nanoscale。該課題組也揭示了GO在肺內生物介質中的轉化過程與毒性及相關功能變化，研究成果發表于NPG Asia Materials和Nanotheranostics。
以上研究工作得到“973”項目、中科院先導專項B和國家基金委項目的支持。
圖1. 21種具備多維度物理化學性質AuNPs生物行為與效應異同的聚類分析種具備多維度物理化學性質AuNPs生物行為與效應異同的聚類分析
圖2. 金屬納米材料誘發巨噬細胞不良結局和相關毒性通路差異的示意圖
圖3. 氧化石墨烯環境生物轉化決定的毒性效應變化機制示意圖
(中國粉體網編輯整理/平安)
