细颗粒物与生物界面作用机制的系统探索

Fine particles in haze cause severe environmental pollution and pose a new threat to human health. Since engineered fine particles have controllable properties, they are used to mimic fine particles in haze to explore the mechanism of interactions at the fine particle/biology interfaces. However, current research results only focus on limited particles or physicochemical properties, which does not reflect the diverse particles with complicated properties in haze. Therefore, it is imperative to initiate a systematic investigation on relationships between fine particle properties and their biological effects. Based on previous studies, this project is aimed at 1) making fine particle libraries containing 200-300 particles, which mimic diverse particle size, shape, composition, and surface chemistry. 2) investigating their pollutant absorption behavior, effects on cell functions, and underlining molecular mechanisms. 3) applying chemoinformatics and computer modeling to elucidate the structure activity relationship and establish the prediction models.

雾霾细颗粒物是恶化空气质量、危害人类健康的元凶。用于模拟雾霾细颗粒物的人工合成细颗粒物由于性质可控可用于探索细颗粒物与生物界面的作用机制。但目前的研究局限于仅对个别材料，或其个别理化性质的探索，没有反映出雾霾细颗粒物理化性质多变和多样性的现实。因此当前急需开展细颗粒物自身的理化性质如何影响其毒性的系统性研究。本课题拟在前期研究基础上，1）建立多种理化性质改变的细颗粒物模型：合成不同材料、不同纳米尺度、不同形状和不同表面化学的组合化学细颗粒库；2）用高通量生物测试方法，系统研究多个细颗粒库对典型污染物的差别性吸附，对细胞多种功能的影响，以及对关键信号通路干扰的分子机制；3）运用化学信息学和计算模拟对以上研究所产生的细颗粒毒性大数据进行深入分析研究，探索细颗粒物毒理的构效关系并建立可实验验证的预测模型。

细颗粒物组分复杂，自身理化性质多变，严重制约了人们对其健康效应及致毒机制的认识。围绕“细颗粒物自身的理化性质如何影响其健康效应”这一科学问题，本项目设计、合成了多个模型细颗粒物库，系统评价了不同理化性质的模型细颗粒物对典型污染物吸附能力，以及与生物界面的相互作用机制，并通过对多个模型细颗粒物库的细胞毒性大数据的计算化学模拟，建立了细颗粒物理化性质与毒性的定量关联和预测模型。考虑环境释放的工程纳米材料可能是未来细颗粒物的一个重要来源，我们同时开展了多壁碳纳米管、二维过渡金属硫化物（MoS2及WS2纳米片）、纳米银、纳米氧化锌及其与污染物的复合物的生物效应及机制，并在个体水平探究了高环境暴露风险细颗粒物对多种易感群体的健康效应及致毒机制，从而更全面的解析细颗粒物与生物界面的作用机制。围绕研究工作的开展，本项目在Advanced Functional Materials、ACS Nano、National Science Review、ACS Applied Materials & Interfaces、Environment International、Haematologica、Environmental Science & Technology、Nanoscale、Analytical Chemistry、Journal of Materials Chemistry B等期刊上发表SCI论文41篇，引起国内外同行的广泛关注。