恒定磁场与磁小体协同细胞效应和基于细胞内吞的机制研究

As the natural magnetic nanomaterial, bacterial magnetosomes have great potentials in numerous biomedical applications, such as drug delivery, magnetic resonance imaging contrast enhancement, and hyperthermia. Currently, increasing concerns about the biocompatibility of magnetosomes have been raised. It is notable that the biomedical applications of magnetosomes are generally accompanied by external magnetic fields (MFs). However, the potential effects of MFs on the bio-safety of magnetosomes remain unclear. Therefore, this project will study the combined cellular effects and intrinsic mechanisms of magnetsomes and external static MFs. We will focus on the collaborative regulations of cell viability, proliferation, cell cycle, apoptosis, and DNA damage by magnetosomes combining with MFs. In order to reveal the potential mechanisms of the synergistic effects, the regulations of MFs on the cellular endocytosis of magnetic particles will be investigated, and whether the free radical enhancement and oxidative stress induction contribute to the combined effects will be studied as well. Hence, our work will study the cytotoxicity of magnetosomes from a new viewpoint, and the research on the synergistic effects and mechanisms of MF and magnetosomes will pave the way for the further evaluation of magnetosomes' biocompatibility.

磁小体作为天然磁性纳米材料，在药物的靶向运输、磁共振成像以及磁感应肿瘤热疗等领域具有的广泛应用前景，其生物安全性日益引起人们重视。值得注意的是磁小体在医疗领域的应用普遍伴随着外加磁场的存在，然而至今尚缺少外加恒定磁场与磁小体联合作用的细胞效应研究。因此，本项目拟在不同外加恒定磁场环境中，研究磁场联合磁小体的协同细胞效应及其内在机制。以细胞活力、增殖、凋亡、周期、DNA损伤为研究内容，以外加磁场对细胞内吞摄取磁小体能力的调节，以及磁场联合磁小体对细胞氧化应激的协同调控为线索，研究外加恒定磁场与磁小体的联合作用，探讨和揭示外加恒定磁场与磁小体协同生物效应的内在机制。因此，本项目从全新角度研究磁小体的细胞毒性，阐明和揭示外加恒定磁场与磁小体的联合细胞效应及其潜在机制，对于促进和完善磁小体应用的生物安全性评估，具有重大的社会价值和科学意义。

磁小体是由生物矿化作用产生的内源磁性纳米颗粒，在生物医疗领域具有广阔的应用前景，因此对其细胞效应、机制及生物安全问题的研究至关重要。另外因其独特磁学特性，磁颗粒易成为外加磁场作用靶点，其应用时普遍伴随磁场的使用，二者联合可对细胞、生物体诱导产生协同效应。然而关于磁小体-细胞相互作用、与磁场的协同效应及其内在机制的研究尚有待阐明。.基于此本项目以细胞活力、增殖、凋亡、周期等为内容，以细胞内吞摄取磁小体能力的调节，以及对细胞氧化应激水平的调控为两条基本线索，探讨揭示磁场与磁小体协同细胞效应及机制，并取得如下重要结果：.1、确认了纯化磁小体能与肝癌细胞HepG2作用被摄取到胞内，且磁小体-细胞相互作用呈现磁小体浓度依赖的特性。磁小体在胞内被囊泡结构包裹，在细胞表面被膜内陷和外凸结构包绕，呈內吞作用典型结构。以低温及特异性抑制剂处理鉴定出细胞摄取磁小体的机制主要依赖于主动的网格蛋白依赖內吞和巨胞饮內吞途径。.2、发现了磁纳米颗粒对细胞活力和增殖的抑制作用，并随颗粒浓度增高而愈加显著，该作用主要是因细胞周期阻滞在G0/G1期。研究细胞应激反应及信号转导，发现内质网应激、氧化应激相关蛋白的基因表达都受到磁颗粒诱导上调，胞内活性氧（ROS）也显著增加，而磁颗粒诱导的内质网应激反应一定程度上依赖于胞内ROS水平上调。.3、研究外加磁场联合磁纳米颗粒协同效应，发现一旦磁场和磁纳米颗粒联合，则对细胞活力和凋亡诱导产生明显的协同效应，氧化应激相关基因表达也受到协同调控。体外实验中通过电泳、透射电镜及原子力显微镜观察，发现磁纳米颗粒加速Aβ40蛋白更快形成高分子量蛋白聚集体，联合磁场作用后，蛋白纤维聚集体的分支更多，结构更加多样化。.4、研究磁小体与磁场联合效应，将含磁小体的趋磁细菌与致病菌金黄色葡萄球菌连在一起，发现趋磁细菌联合磁场显著地协同促进杀伤金黄色葡萄球菌。在体动物实验也证实磁场联合偶联趋磁细菌能显著加速动物体金黄色葡萄球菌感染伤口的愈合。理论模型计算分析出磁场作用于磁小体链产生的机械力可能参与介导金黄色葡萄球菌的细胞损伤死亡。.本项目研究磁小体-细胞相互作用及内吞机制，对细胞应激反应的调控，磁场对磁小体等磁颗粒细胞效应的协同调控等，可为生物医疗磁场环境下磁小体生物安全性评估提供更客观合理的实验依据，也可进一步促进包括磁小体在内的磁纳米颗粒的生物医疗应用研究。