多壁碳納米管的表面化學修飾調節(jié)其免疫毒性的機理研究.pdf

1、碳納米管(CNTS)是一種具有獨特結構和物理化學性質的新型納米材料，其獨特的性質吸引了眾多學者的研究興趣，其中以生物醫(yī)學應用為目標的探索性研究正在迅速發(fā)展成為一個新的研究領域。
　　 多壁碳納米管(MWCNTs)是碳納米管的一種，其應用于醫(yī)學領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，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)學領域的應用奠定了基礎。近幾年來，對碳納米管

2、在分子水平和細胞水平上應用的研究逐漸引起人們的關注，納米醫(yī)學也應運而生，隨之而來的毒性評價和機理研究日益引起學者們的重視，免疫毒性即是其中的一個重要方面。巨噬細胞是免疫系統(tǒng)中的重要細胞，在免疫反應的多個階段發(fā)揮重要作用，其主要功能是清除異物、抗原遞呈、調節(jié)免疫反應和炎癥反應。功能化多壁碳納米管(f-MWCNTs)進入機體后，對巨噬細胞產(chǎn)生毒性并影響其生物學功能的機制研究尚不透徹，關于調控其免疫毒性的方法更是沒有涉及。我們率先開展該領域的

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，以PMA誘導的THP-1類巨噬細胞為模型，通過檢測細胞活力和炎癥因子，評價f-MWCNTs對巨噬細胞的細胞毒性和功能影響。結果表明，MWCNTs經(jīng)不同的功能化修飾后，對巨噬細胞的毒性顯著不同。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，研究它們對巨噬細胞的作用機制。
　　 多壁碳納米管

4、經(jīng)功能化修飾后，顯著降低其對巨噬細胞的毒性，表現(xiàn)在：相對于MWCNT1，MWCNT2刺激后的巨噬細胞活力明顯升高，而引發(fā)的炎癥相關因子(TINF-α和NO)和活性氧(ROS)降低，且不影響細胞功能。本研究中的兩種多壁碳納米管均能夠被巨噬細胞攝入，且攝入量和細胞內定位均相似，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。巨噬細胞的MR識別其配體后，引起細胞內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。然而，MWCNT2選擇性識別MSR，這是一種不激活NFκB信號通路、不引起炎癥反應的攝入方式。
　　 以往的研究已經(jīng)證實碳納米管能夠引起哺乳動物細胞和小鼠體內的氧化損傷、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作用于巨噬細胞引發(fā)NFκB信號通路活化的一種上游機制，即甘露糖受體識別MWCNTs并將其攝入，進而引發(fā)NFκB信號通路活化和一系列炎癥反應。而更重要的是，我們基于該機制提出了通過表面化學修飾，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，進而引發(fā)不引起炎癥反應的信號通路。這表明，碳納米管的表面化學修飾可以通過被清道夫受體優(yōu)勢識別，進而減弱NFκB信號通路的活化程度，最終

7、達到調控其巨噬細胞的免疫毒性的目的。
　　 本研究進一步以BALB/c小鼠為模型評價多壁碳納米管的功能化修飾對小鼠引起的炎癥效應。通過尾靜脈注射MWCNTs入小鼠體內，發(fā)現(xiàn)其體內分布主要集中在富含單核/巨噬細胞的肝臟、肺臟和脾臟。因此，MWCNT1和MWCNT2經(jīng)尾靜脈注射入小鼠體內后，檢測其已發(fā)上述三個臟器的炎癥因子，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、小鼠體內同樣有效。通過肝臟、肺臟和脾臟三個器官NFκB信號通路活化情況的檢測，我們進一步發(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的炎癥反應。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驗模型，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，該調控過程可通過傾向巨噬細胞清道夫受體識別及減少NFκB信號通路活化實現(xiàn)?；诖偈苟啾谔技{米管識別模式由甘露糖受體向清道夫受體識別轉化、進而減弱NFκB信號通路的活化程度、最終實現(xiàn)免疫毒性調控的機理，用表面化學修飾實現(xiàn)該調控，以此獲得不同免疫效應的納米材料，有利于滿足其更多領域的應用要求。本研究為碳納米管的廣泛