咪唑氯盐离子液体对细胞膜的毒性作用及分子机理研究

Imidazole chloride ionic liquids (ILs) have increasingly been used as substitute for volatile organic solvents, owing to their stability and resistance to degradation, these chemicals may pose potential risks to the ecological environment and human health. Previous studies mainly focus on the toxic effects such as oxidative damage and quantitative structure-response relationship. As the important barrier for exogenous compounds to the cells, studies on the membrane toxicity is very scarce, and the mechanism of the interaction between ILs and cell is not well understood. The proposed project aims to investigate cell toxicological effects by using a combination of tools from toxicology, molecular biology and theoretical chemistry. This includes the following three parts: 1) to study the characteristics of cell membrane damage caused by ILs via the analysis of the membrane structure and function, 2) to explore the molecular dynamics of the ILs and cell membrane using the liposome model and MARTINI coarse-grained force field model, and 3) to elaborate the molecular mechanism of cytotoxicity at the biochemical and metabolite levels by bio-spectroscopy and high resolution mass spectrometry. The results of this study will reveal the toxicological mechanisms of ILs, and provide a scientific basis for human health risk assessment.

咪唑氯盐离子液体是一类挥发性有机溶剂的替代物，性质稳定、难降解，对生态环境和人体健康具有潜在风险。目前，其生物效应研究主要集中在自由基损伤和构效关系等方面。然而，细胞膜作为外源性化合物进入细胞的首要屏障，咪唑氯盐离子液体对细胞膜的毒性作用过程和机制仍不清楚。本项目拟通过毒理学、分子生物学和理论计算化学等手段研究咪唑氯盐离子液体的细胞毒性作用机制。通过分析细胞膜结构和功能的变化，研究咪唑氯盐离子液体对细胞膜损伤特征。利用脂质体模型和MARTINI力场粗粒化模型，研究咪唑氯盐离子液体与细胞膜作用的分子动力学过程。采用红外、拉曼光谱技术和高分辨质谱技术，研究其生化水平的细胞毒性和代谢小分子水平的损伤作用。通过上述研究揭示离子液体的毒理机制，为生态环境和人体健康风险评价提供科学依据。

离子液体作为“绿色溶剂”在众多领域被广泛应用，其环境风险也引起人们的关注。因此，系统研究离子液体的毒性效应和毒理机制，能够为离子液体的绿色设计和大规模应用提供科学依据。本研究在前期研究的基础上，综合运用生物毒性外推方法和物种敏感度分析方法，预测了不同烷基链长度离子液体对藻类、无脊椎动物和脊椎动物的毒性数据和预测无效应浓度；采用传统生物毒性测试方法结合生物光谱技术，构建了离子液体对不同生物（羊角月牙藻、大肠杆菌和Hela细胞）的剂量效应关系和烷基链效应关系，揭示不同受试生物对离子液体毒性作用的差异性；利用细胞毒理学方法从细胞增殖、亚细胞结构、生物分子水平发现离子液体的能够影响细胞增殖、诱导细胞膜和线粒体损伤、细胞骨架结构改变、促使细胞凋亡、周期阻滞、胞内ROS激增和膜电位下降，导致脂质过氧化和蛋白质二级结构的改变；运用非靶向代谢组学方法，研究了离子液体剂量效应和烷基链效应介导的代谢谱差异及影响的代谢通路，发现剂量效应主要影响氧化损伤和DNA损伤相关通路，而烷基链效应主要影响脂肪酸合成和氨基酸代谢等相关通路。上述研究为我们准确评价离子液体的毒性效应和环境风险提供了科学依据，为离子液体的绿色设计提供了基础数据。