国家纳米科学中心在纳米材料生物效应研究方面获新进展

2011-9-19 14:33 来源: 中国科学院
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  近日,国家纳米科学中心中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室陈春英研究组与纳米材料研究室唐智勇研究组合作,在以秀丽线虫为模型研究纳米材料生物效应方面取得重要进展,研究结果发表在美国化学会的Nano Letters 杂志上(2011, 11: 3174-3183)。

  纳米材料与生命体系相互作用及其健康效应问题,是纳米科技领域的重要前沿科学问题。由于纳米材料本身具有独特的理化性质,传统毒理学评价方法已不能满足纳米材料生物效应研究的需求,实验中体内、体外结果不一致的矛盾日益凸显,这就要求发展快速、简单、准确的毒理学评价模型体系。而纳米材料在复杂生物体系内可能发生的多种理化性质改变更为其后续毒理学研究带来了巨大的挑战,这就要求在方法学上有所突破创新。

  秀丽线虫(Caenorhabditis elegans)是生物学经典的模式生物,然而用于纳米材料的生物效应研究还鲜有报道。本研究工作基于秀丽线虫模型,从纳米材料毒理学评价方法学的建立、应用和机理揭示等方面进行了具有开创意义的研究。值得一提的是:秀丽线虫的优势在于其既可以从生物个体水平进行研究,其体内的每个细胞又可单独研究,便于从整体、器官、组织、细胞多层次对纳米材料的体内行为进行研究。

  本工作选择了目前最具有应用前景的量子点(Quantum dots)作为代表性纳米材料,研究了其在体内的分布、代谢、转化和长期毒理效应。研究发现:量子点经摄食进入并积累在秀丽线虫消化系统,进入消化道内皮细胞定位于溶酶体,长期蓄积会导致量子点从消化系统向生殖系统迁移,并导致生殖障碍和子代发育毒性。

  基于同步辐射先进光源发展起来的多种元素高灵敏分析技术近年来已开始应用于纳米材料的表征、化学结构分析等领域,然而用于生物体系内原位的研究尚无报道。本工作创新性地将多种同步辐射技术,如X射线原位微区元素成像与化学结构分析技术应用于量子点材料在体内代谢与降解过程的研究,揭示了量子点在线虫消化系统微环境内降解、氧化和代谢的过程,并指出了利用纳米材料光学特性进行分布研究的不可靠性,提出了集成光学成像、原位元素成像与结构分析、细胞生物学、毒理学等多种方法来研究纳米材料在生物体系内分布代谢等重要问题的系统研究方法。

  该研究方法对于建立以秀丽线虫为模式生物评价纳米材料生物效应的研究平台具有重要意义,并有望在后续研究中推广应用于多种重要纳米材料的研究,在不同层次阐明纳米材料与生物体系相互作用的机制。 

  本工作是陈春英研究组关于纳米材料的生物效应与安全性系列研究工作的一部分。其他工作包括:不同纳米材料特性如不同粒径和表面电荷可影响细胞有丝分裂和细胞周期(Biomaterials, 2011,32: 8291-8303);羧酸化富勒烯纳米材料可定位于溶酶体,通过稳定溶酶体膜抑制细胞凋亡新机制(Biomaterials, 2011,32:4030-4041);应邀撰写金属纳米材料在生物体内的命运和生物应用,总结了目前在生物医学领域具有应用前景的新型纳米材料与纳米结构在生物体内吸收、分布与代谢过程以及纳米特性与体内毒性相关性的研究进展和发展趋势。(Small 10.1002/smll.201101059)。

  该系列研究成果不仅有助于人们进一步加深对不同纳米材料与生物体系相互作用的机制与共性规律的理解,同时对合理设计和安全使用纳米材料也具有参考价值。

  上述工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。

  图片说明:量子点在秀丽线虫消化道内的降解过程。通过比较量子点荧光的光学图像(optical Fluorescence)和量子点组成元素的X射线荧光图像(μ-XRF)发现,位于消化道末端的量子点组成元素Se大量积累,而光学荧光淬灭,通过对不同部位的化学价态进行分析(X射线吸收谱,μ-XANES),发现量子点伴随消化过程,结构不断破坏,内核元素发生氧化,导致荧光淬灭,同时释放有毒离子,导致毒性。

  图片说明:量子点从消化系统向生殖系统迁移积累并导致生殖障碍和子代毒性。短期暴露量子点从消化道向生殖系统迁移但不进入卵内;长期暴露后量子点大量积累于生殖系统并产生坏卵、死卵。模式图显示了量子点材料从消化系统向生殖系统迁移的过程。