氧化石墨烯對SD大鼠神經(jīng)系統(tǒng)毒性的體內(nèi)外研究.pdf

1、目的:
　　氧化石墨烯（graphene oxide，GO）是石墨烯經(jīng)氧化處理后的衍生物，大小在十納米到幾百納米乃至微米不等，在水中有很好的穩(wěn)定性，表面分布有大量的羥基、環(huán)氧基，邊緣分布有羧基和羰基等含氧活性基團(tuán)，有較高的熒光猝滅效率以及超強(qiáng)的吸附能力。這些獨(dú)特的理化性質(zhì)特別有利于對GO的表面修飾和功能化，以實(shí)現(xiàn)對藥物的靶向裝載和緩釋作用等多種功能。因此GO在腫瘤的靶向治療，細(xì)胞成像，生物傳感器，生物檢測等方面，顯示了不可估量的應(yīng)

2、用前景，深受生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的青睞。
　　納米技術(shù)在給人類帶來巨大利益的同時(shí)，也可能給人類及生態(tài)系統(tǒng)帶來潛在的危險(xiǎn)。這些納米級的極小顆粒，容易進(jìn)入生物體內(nèi)，像小分子一樣在身體各部分間自由穿梭，快速分布于除大腦以外的身體各器官組織中，并與組織、細(xì)胞、細(xì)胞器和蛋白質(zhì)等生物大分子相互作用，造成組織或細(xì)胞的功能異常，影響生物體的健康。也有研究發(fā)現(xiàn)，納米材料還可以穿透血腦屏障。Kreuter等發(fā)現(xiàn)，靜脈注射聚山梨酯-80包裹的阿霉素納米顆粒，可

3、以被大腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞吞噬后穿透大鼠BBB。Oberd(o)rster等也證實(shí)，納米材料也可以通過嗅神經(jīng)通路進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)或者經(jīng)感覺神經(jīng)末梢直接轉(zhuǎn)運(yùn)至腦內(nèi)。進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)的納米顆粒，還可以激活小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生ROS，誘發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)、炎癥反應(yīng)，誘發(fā)神經(jīng)毒性致使神經(jīng)組織損傷。CNS是機(jī)體最重要的器官，它整合全身各組織器官的信息，調(diào)控著機(jī)體生理活動以及腦的高級活動。所以納米材料對神經(jīng)系統(tǒng)的生物安全性的評價(jià)有非常重要的臨床意義，也在很大程度上

4、決定納米材料的應(yīng)用前景。
　　GO進(jìn)入體內(nèi)后，能否通過血腦屏障，對神經(jīng)系統(tǒng)有何影響未見相關(guān)報(bào)道。因此本研究將通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)綜合評價(jià)100～500nm大小的GO對神經(jīng)系統(tǒng)的影響，為GO在多領(lǐng)域的應(yīng)用提供客觀和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文從以下兩部分進(jìn)行了闡述。
　　第一部分:GO對SD大鼠的體內(nèi)神經(jīng)毒性研究。
　　方法:
　　1 GO表征鑒定
　　1.1高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察GO的表面特征。
　

5、　1.2 raman光譜檢測GO表面基團(tuán)。
　　1.3紫外掃描觀察GO的吸收峰。
　　2動物實(shí)驗(yàn)
　　32只健康清潔級SD雄性大鼠（周齡4～5 w，體重95±10 g），隨機(jī)分為對照組（生理鹽水），2.5，5和10mg/kg/d體重3個(gè)GO實(shí)驗(yàn)組，8只/組，尾靜脈注射GO到SD大鼠體內(nèi)，1次/d，連續(xù)注射5d，休息2d，以測試動物的檢測指標(biāo)。連續(xù)注射4周，水迷宮實(shí)驗(yàn)后處死動物。實(shí)驗(yàn)期間分別觀察并記錄:
　　2.1

6、一般情況:檢測動物活動情況、精神狀況，每日食物消耗量及體重變化。
　　2.2尾靜脈給GO前以及第7d、14d、21d、28d，分別測試實(shí)驗(yàn)動物:
　　Open-Field實(shí)驗(yàn):以觀察實(shí)驗(yàn)動物的神經(jīng)精神活動;
　　功能觀察組合實(shí)驗(yàn)(FOB):綜合評價(jià)實(shí)驗(yàn)動物的神經(jīng)主動運(yùn)動行為、中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動、中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性、神經(jīng)肌肉反應(yīng)、感覺運(yùn)動功能。
　　2.3實(shí)驗(yàn)第29 d，Morris水迷宮檢測實(shí)驗(yàn)動物的學(xué)習(xí)記憶以及空

7、間探索功能。
　　2.4水迷宮實(shí)驗(yàn)后，取實(shí)驗(yàn)動物的大腦、小腦、坐骨神經(jīng)及脊髓腰膨大，固定、包埋、切片、染色，光學(xué)及透射電子顯微鏡下行組織病理學(xué)觀察。
　　結(jié)果:
　　1.大鼠一般狀況良好，無死亡和疾病發(fā)生，各劑量組每日食物消耗量、體重變化均無顯著性差異(p＞0.05)。
　　2.Open-Field實(shí)驗(yàn)中:各組實(shí)驗(yàn)動物的水平運(yùn)動和垂直運(yùn)動得分均無明顯差異(p＞0.05)。
　　3.FOB綜合實(shí)驗(yàn)中:各組實(shí)驗(yàn)

8、動物的①一般活動及神經(jīng)肌肉測試;②感覺運(yùn)動及興奮性測試;③自主性活動測試各指標(biāo)間均無明顯差異(p＞0.05)。
　　4.Morris水迷宮實(shí)驗(yàn)中，大鼠的逃避潛伏期及游泳距離與對照組相比均無顯著性差異(p＞0.05)，在原平臺象限的游泳時(shí)間、原平臺象限游程百分比以及穿越平臺次數(shù)均無顯著性差異(p＞0.05)。
　　5.形態(tài)學(xué)觀察發(fā)現(xiàn):TEM及光學(xué)顯微鏡下，大腦皮層、海馬神經(jīng)元、小腦、坐骨神經(jīng)及脊髓腰膨均未見GO的顆粒存在，也未

9、見明顯的組織病理學(xué)改變。
　　結(jié)論:
　　中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)中未見GO的顆粒存在，提示GO不能通過血腦及血腦脊液屏障，因此對實(shí)驗(yàn)大鼠的:
　　1.生長發(fā)育、神經(jīng)精神狀況、運(yùn)動、感覺均沒有明顯影響。
　　2.學(xué)習(xí)記憶以及空間探索功能沒有明顯影響。
　　3.中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)也未見明顯的組織病理學(xué)改變。
　　第二部分:GO對神經(jīng)干細(xì)胞和海馬神經(jīng)元的影響。
　　方法:
　　1.GO的鑒定同上。<

10、br>　　2.取SD孕鼠原代培養(yǎng)的二代神經(jīng)干細(xì)胞(neural stem cells，NSCs)或培養(yǎng)6～7d的海馬神經(jīng)元接種于6孔或96孔板中，隨機(jī)將其分為6組，即對照組（培養(yǎng)液中不加任何刺激因素），10，25，50，100和200μg/mL GO實(shí)驗(yàn)組，分別在培養(yǎng)液中加相應(yīng)終濃度GO;作用24h或120h。
　　實(shí)驗(yàn)觀察:
　　1.培養(yǎng)期間倒置相差顯微鏡觀察各組細(xì)胞的形態(tài)特征。
　　2.培養(yǎng)24h或120h后:

11、r>　　TEM觀察NSCs及海馬神經(jīng)元的超微結(jié)構(gòu);
　　MTT法檢測NSCs及海馬神經(jīng)元的細(xì)胞存活率;
　　臺盼藍(lán)排斥實(shí)驗(yàn)檢測細(xì)胞死亡率;
　　流式細(xì)胞術(shù)檢測細(xì)胞凋亡及細(xì)胞內(nèi)ROS水平;
　　LDH水平檢測評估細(xì)胞膜的完整性。
　　結(jié)果:
　　1.細(xì)胞形態(tài)及超微結(jié)構(gòu):與對照組相比，GO實(shí)驗(yàn)組NSCs及海馬神經(jīng)元細(xì)胞形態(tài)及超微結(jié)構(gòu)均正常。
　　2.細(xì)胞存活率:GO作用NSCs及神經(jīng)元24 h或12

12、0 h，GO實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞的存活率與相應(yīng)對照組相比均無顯著差異(p＞0.05)。
　　3.細(xì)胞死亡率:GO作用NSCs及神經(jīng)元24 h或120 h后，GO實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞死亡率與相應(yīng)對照組均無顯著性差異(p＞0.05)。
　　4.細(xì)胞膜完整性:GO作用NSCs及神經(jīng)元24 h或120 h，GO實(shí)驗(yàn)組LDH漏出與相應(yīng)對照組相比均無顯著差異(p＞0.05)。
　　5.細(xì)胞凋亡:GO作用NSCs及神經(jīng)元24 h或120 h，GO實(shí)驗(yàn)組

13、細(xì)胞的凋亡或死亡與相應(yīng)對照組相比無顯著差異(p＞0.05)。
　　6.細(xì)胞內(nèi)ROS檢測:GO作用NSCs及神經(jīng)元24 h或120 h，GO實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞內(nèi)ROS水平與相應(yīng)對照組相比無顯著差異(p＞0.05)。
　　結(jié)論:
　　GO直接作用NSCs及海馬神經(jīng)元24h或120h均未引起明顯的細(xì)胞毒性效應(yīng)，其潛在的機(jī)制可能是:GO沒有進(jìn)入NSCs及神經(jīng)元，也沒有誘導(dǎo)細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)，提示GO與CNS具有良好的生物相容性。<