多壁碳納米管的表面化學(xué)修飾調(diào)節(jié)其免疫毒性的機(jī)理研究.pdf

1、碳納米管(CNTS)是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)的新型納米材料，其獨(dú)特的性質(zhì)吸引了眾多學(xué)者的研究興趣，其中以生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用為目標(biāo)的探索性研究正在迅速發(fā)展成為一個(gè)新的研究領(lǐng)域。
　　 多壁碳納米管(MWCNTs)是碳納米管的一種，其應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域必須具備很多特性，包括生物相容性、無毒、不致癌、不致畸、不致突變等。通過引入功能化基團(tuán)，碳納米管的水溶性和生物相容性得到改善，從而為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。近幾年來，對碳納米管

2、在分子水平和細(xì)胞水平上應(yīng)用的研究逐漸引起人們的關(guān)注，納米醫(yī)學(xué)也應(yīng)運(yùn)而生，隨之而來的毒性評價(jià)和機(jī)理研究日益引起學(xué)者們的重視，免疫毒性即是其中的一個(gè)重要方面。巨噬細(xì)胞是免疫系統(tǒng)中的重要細(xì)胞，在免疫反應(yīng)的多個(gè)階段發(fā)揮重要作用，其主要功能是清除異物、抗原遞呈、調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)。功能化多壁碳納米管(f-MWCNTs)進(jìn)入機(jī)體后，對巨噬細(xì)胞產(chǎn)生毒性并影響其生物學(xué)功能的機(jī)制研究尚不透徹，關(guān)于調(diào)控其免疫毒性的方法更是沒有涉及。我們率先開展該領(lǐng)域的

3、研究，并取得了一些初步的成果。
　　 本研究以含有80種材料的f-MWCNTs庫為基礎(chǔ)，以PMA誘導(dǎo)的THP-1類巨噬細(xì)胞為模型，通過檢測細(xì)胞活力和炎癥因子，評價(jià)f-MWCNTs對巨噬細(xì)胞的細(xì)胞毒性和功能影響。結(jié)果表明，MWCNTs經(jīng)不同的功能化修飾后，對巨噬細(xì)胞的毒性顯著不同。從中選出毒性較小的一種MWCNT2，以目前常見的且毒性較大的羧基化碳納米管MWCNT1為參照，研究它們對巨噬細(xì)胞的作用機(jī)制。
　　 多壁碳納米管

4、經(jīng)功能化修飾后，顯著降低其對巨噬細(xì)胞的毒性，表現(xiàn)在：相對于MWCNT1，MWCNT2刺激后的巨噬細(xì)胞活力明顯升高，而引發(fā)的炎癥相關(guān)因子(TINF-α和NO)和活性氧(ROS)降低，且不影響細(xì)胞功能。本研究中的兩種多壁碳納米管均能夠被巨噬細(xì)胞攝入，且攝入量和細(xì)胞內(nèi)定位均相似，所不同的是它們的傾向被不同的受體識別。MWCNT2選擇性的優(yōu)勢識別巨噬細(xì)胞表面的清道夫受體(Macrophage scavenger receptor，MSR)而很少

5、被甘露糖受體(Mannose receptor，MR)所識別，而MWCNT1對這兩種受體沒有顯著不同的選擇性差異。巨噬細(xì)胞的MR識別其配體后，引起細(xì)胞內(nèi)ROS生成并激活NFκB信號通路，從而促使炎癥因子生成，引發(fā)一系列炎癥反應(yīng)。然而，MWCNT2選擇性識別MSR，這是一種不激活NFκB信號通路、不引起炎癥反應(yīng)的攝入方式。
　　 以往的研究已經(jīng)證實(shí)碳納米管能夠引起哺乳動(dòng)物細(xì)胞和小鼠體內(nèi)的氧化損傷、NFκB信號通路活化以及前炎癥因子

6、釋放。本研究的重要意義在于，發(fā)現(xiàn)了MWCNTS作用于巨噬細(xì)胞引發(fā)NFκB信號通路活化的一種上游機(jī)制，即甘露糖受體識別MWCNTs并將其攝入，進(jìn)而引發(fā)NFκB信號通路活化和一系列炎癥反應(yīng)。而更重要的是，我們基于該機(jī)制提出了通過表面化學(xué)修飾，改變MWCNTs與表面受體的識別模式，使其傾向于被清道夫受體所識別，進(jìn)而引發(fā)不引起炎癥反應(yīng)的信號通路。這表明，碳納米管的表面化學(xué)修飾可以通過被清道夫受體優(yōu)勢識別，進(jìn)而減弱NFκB信號通路的活化程度，最終

7、達(dá)到調(diào)控其巨噬細(xì)胞的免疫毒性的目的。
　　 本研究進(jìn)一步以BALB/c小鼠為模型評價(jià)多壁碳納米管的功能化修飾對小鼠引起的炎癥效應(yīng)。通過尾靜脈注射MWCNTs入小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)分布主要集中在富含單核/巨噬細(xì)胞的肝臟、肺臟和脾臟。因此，MWCNT1和MWCNT2經(jīng)尾靜脈注射入小鼠體內(nèi)后，檢測其已發(fā)上述三個(gè)臟器的炎癥因子，發(fā)現(xiàn)MWCNT2在肝臟和肺臟中引起的炎癥因子顯著少于MWCNT1，說明碳納米管功能化修飾降低其引發(fā)的炎癥因子在

8、小鼠體內(nèi)同樣有效。通過肝臟、肺臟和脾臟三個(gè)器官NFκB信號通路活化情況的檢測，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，MWCNT2在一定程度上降低了NFκB信號通路的活化程度，從而降低其小鼠體內(nèi)的炎癥反應(yīng)。由于條件所限，我們沒有獲得清道夫受體基因缺陷的小鼠作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，深入探討MWCNT2減弱NFκB信號通路活化的原因，是否與我們在體外研究中獲得的結(jié)論一致，即傾向被清道夫受體識別引起NFκB信號通路活化減弱、炎癥反應(yīng)減輕。但是，MWCNTs的功能化修飾的確通過

9、減弱其NFκB信號通路活化程度而降低其免疫毒性。
　　 綜上所述，碳納米管可以通過特殊的功能化修飾降低其引發(fā)的炎癥效應(yīng)，該調(diào)控過程可通過傾向巨噬細(xì)胞清道夫受體識別及減少NFκB信號通路活化實(shí)現(xiàn)。基于促使多壁碳納米管識別模式由甘露糖受體向清道夫受體識別轉(zhuǎn)化、進(jìn)而減弱NFκB信號通路的活化程度、最終實(shí)現(xiàn)免疫毒性調(diào)控的機(jī)理，用表面化學(xué)修飾實(shí)現(xiàn)該調(diào)控，以此獲得不同免疫效應(yīng)的納米材料，有利于滿足其更多領(lǐng)域的應(yīng)用要求。本研究為碳納米管的廣泛