红外光谱研究纳米材料细胞毒性的分子机理

纳米材料的生物效应伴随纳米材料的广泛应用而受到高度关注。尽管研究表明纳米材料可引起生物毒性效应，但是鉴于目前研究方法的局限性，所观察到的仅仅是纳米生物毒性的一系列现象，其作用机制还不清楚。本项目拟基于红外光谱开发出一种免标记研究方法。利用表面增强红外光谱这一新奇的研究方法，系统、原位、实时监测纳米材料与模拟细胞膜，重组膜蛋白及活细胞相互作用过程，考察不同组成、粒径、形貌和表面电荷的纳米材料对细胞膜各种结构，磷脂、蛋白等生物成分的影响，从而从分子水平和细胞水平上揭示纳米材料的毒性机理，为体外评价纳米材料的安全效应提供理论基础。同时本项目的实施将促使纳米材料的细胞毒性从现象观察转移到机理研究上，为优化纳米材料的特性，降低其生物应用的毒性提供指导，提高纳米材料在生物医学中的可应用性。

纳米材料的生物效应伴随纳米材料的广泛应用而受到高度关注。尽管研究表明纳米材料可引起生物毒性效应，但是鉴于目前研究方法的局限性，所观察到的仅仅是纳米生物毒性的一系列现象，其作用机制还不清楚。本项目利用荧光共聚焦显微镜,系统研究了不同配体、不同尺寸、不同组成、不同形貌的纳米材料与细胞的相互作用及毒性效应。并基于表面增强红外光谱这一新奇的研究方法，原位、实时监测了各种纳米材料与模拟细胞膜相互作用过程中对细胞膜的磷脂、蛋白等生物成分结构的影响，以从分子水平上揭示纳米材料毒性效应的分子机理。我们的研究结果表明两性及荷负电的半导体量子点均会降低细胞的生存能力，但是相对于两性量子点，荷负电的量子点与蛋白具有较强的作用，因而所形成的复合物会明显降低荷负电的量子点对细胞存活性的影响。5纳米左右的荷负电的半导体量子点及石墨烯氧化物可以引起明显的溶血，但是8纳米的两性半导体量子点，小于3纳米的荷负电量子点及5纳米左右的石墨烯量子点都不会引起明显的溶血。进一步分子水平的研究表明半导体量子点引起的溶血是由于半导体量子点与细胞膜上磷酸的配位而引起的磷酸二酯键的断裂而导致的。石墨烯则对磷脂产生了抽提作用而诱导明显溶血。两性量子点，小粒径的荷负电的量子点及石墨烯量子点仅仅诱导了磷脂构象的变化而没有对细胞膜产生破坏作用，因而没有诱导溶血。我们的研究也表明，通过构建灵敏的电化学传感器，可以原位检测纳米材料诱导细胞释放的毒性效应分子-过氧化氢。这些研究结果不仅从分子水平上揭示了纳米材料的毒性机理，为体外评价纳米材料的安全效应提供理论基础，同时也为评估纳米材料的毒性效应提供了新的分析方法。本项目的实施使纳米材料的细胞毒性从现象观察转移到机理研究上，具有重要的科学意义。共发表论文14篇，申请专利两项。