中國粉體網(wǎng)訊  中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點實驗室劉思金研究組在納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險評價與毒理機制方面取得新進展，相關(guān)研究成果近期陸續(xù)發(fā)表于ACS Nano (Xu, et al. 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b04906), ACS Applied Materials & Interfaces (Bai, et al. 2018, 10: 20368-20376), ACS Sustainable Chemistry & Engineering (a) Zhang, et al. 2018, 6: 10374-10384; b) Wang and Liu, 2018, 6:4164-4173), Nanoscale (Wu, et al. 2018, 10: 14637-14650), NPG Asia Materials (Qi and Liu, et al. 2018, 10: 385-396) 和Nanotheranostics (Liu and Qi, et al, 2018, 2: 222-232)。

　　納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險與生物效應(yīng)主要決定于材料自身的物理化學(xué)性質(zhì)。如何系統(tǒng)全面地揭示納米材料理化特性決定的環(huán)境健康風(fēng)險，一直都是環(huán)境健康研究領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題與挑戰(zhàn)。為了回答這個科學(xué)問題，該課題組與德國漢堡大學(xué)教授Wolfgang J. Parak課題組開展了深入的合作研究，以金納米顆粒（gold nanoparticles, AuNPs）作為研究模型，歷經(jīng)4年多的共同努力，在分子、細胞與動物水平上，考察了21種具備不同理化性質(zhì)AuNPs的細胞毒性、與生物分子相互作用、蛋白冠形成、細胞吞噬和體內(nèi)組織分布等生物作用行為的異同（圖1）。基于大量的實驗數(shù)據(jù)，創(chuàng)新性地運用統(tǒng)計學(xué)方法（hierarchical cluster analysis）尋找理化性質(zhì)的決定機制和構(gòu)效關(guān)系機制，發(fā)現(xiàn)眾多的物理化學(xué)性質(zhì)與環(huán)境條件等因素綜合在一起決定了AuNPs的生物行為與效應(yīng)，其中水合粒徑與表面電荷的影響更顯著（圖1）。此發(fā)現(xiàn)為納米材料的健康風(fēng)險評估和毒性預(yù)測等相關(guān)研究提供重要的數(shù)據(jù)支持。相關(guān)成果發(fā)表于ACS Nano。同時，與合作伙伴一起利用計算模型揭示了納米顆粒物與生物分子的相互作用機制，相關(guān)成果發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces。

　　目前，關(guān)于金屬納米材料（MNPs）的安全性評價仍存在諸多問題和挑戰(zhàn)，如多數(shù)研究集中于MNPs所導(dǎo)致的某個單一毒性通路，而沒有系統(tǒng)地考慮多種毒性通路的交互作用；而且多數(shù)研究采用高劑量暴露，不能有效地反映實際環(huán)境暴露條件下MNPs的健康風(fēng)險。為此，該研究選擇了多種MNPs（包括稀土納米材料、納米銀、鐵氧化物納米材料、納米氧化鋅和納米二氧化鈦等），采用低劑量暴露，從多個角度系統(tǒng)地評價了MNPs對巨噬細胞的不良結(jié)局：細胞活力降低和死亡、氧化應(yīng)激損傷、炎癥反應(yīng)、細胞膜/細胞骨架損傷和吞噬能力降低等，發(fā)現(xiàn)了不同MNPs誘發(fā)細胞不良結(jié)局和相關(guān)毒性通路的異同，并進行了系統(tǒng)的總結(jié)和歸納，如圖2所示。相關(guān)研究成果發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。在此基礎(chǔ)上，該課題組進一步發(fā)現(xiàn)了量子點等MNPs誘發(fā)胚胎發(fā)育毒性的分子作用機制，相關(guān)研究成果發(fā)表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering。

　　作為極具應(yīng)用前景的碳納米材料，石墨烯類納米材料在環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)和能源等領(lǐng)域得到越來越多的開發(fā)和應(yīng)用。目前對于石墨烯類納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險已展開了很多研究，但是對于此材料在環(huán)境介質(zhì)和生物介質(zhì)中的轉(zhuǎn)化過程及此轉(zhuǎn)化過程對其生物效應(yīng)的影響了解甚少。為了揭示這個科學(xué)問題，該課題組系統(tǒng)探索了氧化石墨烯（graphene oxide，GO）在環(huán)境介質(zhì)和體內(nèi)肺生物介質(zhì)中的轉(zhuǎn)化過程和毒性變化。該研究發(fā)現(xiàn)在環(huán)境介質(zhì)中還原劑的作用下GO發(fā)生顯著的還原并轉(zhuǎn)化為還原態(tài)氧化石墨烯（reduced graphene oxide，RGO），GO與RGO具有不同的含氧官能團并表現(xiàn)出顯著不同的賦存形態(tài)，最終導(dǎo)致對巨噬細胞產(chǎn)生顯著差異的毒性效應(yīng)（圖3）。相關(guān)成果發(fā)表于Nanoscale。該課題組也揭示了GO在肺內(nèi)生物介質(zhì)中的轉(zhuǎn)化過程與毒性及相關(guān)功能變化，研究成果發(fā)表于NPG Asia Materials和Nanotheranostics。

　　以上研究工作得到“973”項目、中科院先導(dǎo)專項B和國家基金委項目的支持。

圖1. 21種具備多維度物理化學(xué)性質(zhì)AuNPs生物行為與效應(yīng)異同的聚類分析種具備多維度物理化學(xué)性質(zhì)AuNPs生物行為與效應(yīng)異同的聚類分析

圖2. 金屬納米材料誘發(fā)巨噬細胞不良結(jié)局和相關(guān)毒性通路差異的示意圖

圖3. 氧化石墨烯環(huán)境生物轉(zhuǎn)化決定的毒性效應(yīng)變化機制示意圖

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