苏州大学最新文章探寻碳纳米管与蛋白质相互作用

　　由于碳纳米管本身具有诸多优异的物理化学性质, 已经在生物学和医学领域展现出潜在的应用前景。 从纳米科技的长期发展而言, 碳纳米管的安全应用及其潜在的毒理学评价显得非常重要。 众所周知, 碳纳米管用于载药、诊断或成像等生物医学领域时, 会与生物体内的各种蛋白质产生相互作用, 进而会改变碳纳米管自身的理化性质和影响蛋白质的构象及功能, 从而引发不同的生物反应。 而通过将蛋白质连接到碳纳米管上制备的生物器件, 既降低了碳纳米管潜在毒性又为其安全生物应用开拓了市场。 因此深入阐述碳纳米管-蛋白质相互作用的机制及后续的生物效应, 对发展碳纳米管的安全应用具有重要意义。

　　近期来自苏州大学医学部放射医学与防护学院的研究人员特别介绍了碳纳米管-蛋白质相互作用的机制及其生物学效应的影响，希望能用以对碳纳米管的安全应用提供指导。

　　自1991年, 日本科学家Iijima用高分辨透射电子显微镜发现碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)以来, 其便成为最受重视的纳米材料之一。生物体中许多生物大分子如酶、抗体、DNA质粒都有着纳米级的尺寸, 使碳纳米管可以和它们广泛地接触, 这也使碳纳米管在生物医学领域展现出广泛的潜在应用, 包括药物载体、生物传感器、生物成像等。

　　单壁碳纳米管的直径为1~2 nm、长度可达几百纳米到几十微米, 是一种典型的一维纳米材料, 相比球形纳米材料, 具有更大的长径比、更高的比表面积、更强的吸附能力, 使其载带药物和生物大分子的能力更强, 已有研究表明, 功能化的碳纳米管可以载带生物分子进入细胞, 不产生细胞毒性。 一维碳纳米管良好的柔韧性使其与细胞黏合时会出现多个吸附位点, 提高其与靶向配位体的吸附强度； 基于碳纳米管-蛋白质(特异性抗体)制作的传感器可以用来检测生物分子, 如蛋白质和DNA。

　　但发展碳纳米管潜在应用的同时, 碳纳米管的安全性是不可忽视的问题, 目前关于碳纳米管安全性已有大量的研究, 主要为碳纳米管的负面效应以及长度、结构和纯度等参数对安全性的影响。 Muller等人发现使用长短不同的MWCNT经支气管滴注进入大鼠(Rattus norvegicus)肺部后, 60 d后发现长的MWCNT在肺部的残余量还在80%左右, 短的MWCNT为36%左右, 这些碳纳米管都会引起大鼠肺部的炎症反应和纤维化反应。 Nagai等人发现碳纳米管可直接通过间皮细胞膜, 细的碳纳米管比粗的碳纳米管更容易穿过细胞外膜及核膜, 进入细胞核引发细胞毒性, 而碳纳米管的长度、结构和纯度对其细胞毒性影响甚微。 随后研究人员将碳纳米管注射入小鼠(Mus musculus)体内, 发现较细的碳纳米管(直径约50 nm)更容易引发间皮细胞肿瘤, 而较粗的碳纳米管(直径约100 nm)引发肿瘤的几率较小。

　　一般认为, 碳纳米管产生的毒性主要是通过提高生物体的氧化应激水平, 引起急性炎症水平升高、损伤DNA或引起DNA突变、形成肉芽肿以及间质纤维化等方式实现； 同时不少研究发现碳纳米管可以促进一些细胞功能的产生。 Meng等人[42]研究发现, 不同种类长度的MWCNT对神经元细胞系PC12细胞表现出不同的生物学效应, 低浓度羧基化修饰的长MWCNT对PC12细胞的形态和活力没有明显的影响, 低浓度羧基化修饰的短MWCNT可以提高PC12细胞的分化。 相对于只用神经生长因子(nerve growth factor, NGF)处理的PC12细胞, 用低浓度羧基化修饰的短MWCNT先与PC12细胞孵育2 d, 再用NGF进行处理的PC12细胞能够更明显地上调神经营养蛋白信号通路, 协助受体TrkA/p75和Pincher/Gap43/TH蛋白的表达, 这很有可能是MWCNT提高PC12细胞分化的潜在机制。

　　碳纳米管生物安全性的研究出现不一致的结论后, 研究人员经过分析, 发现是因为忽略了碳纳米管进入生物体后与生物大分子会发生相互作用, 进而产生不同的生物效应。 Ge等人发现, 碳纳米管表面吸附蛋白质前后, 其细胞毒性表现出截然相反的结果。 蛋白质吸附到碳纳米管表面后将覆盖碳纳米管表面的疏水区, 使碳纳米管不再吸附其他的生物分子, 降低对生物系统的干扰。 生物体内有大量的蛋白质分子, 碳纳米管由于表面高的自由能, 进入生物体后迅速吸附蛋白质分子, 不但影响自身性质发生改变, 还会造成蛋白质构象变化, 继而引发相关生物效应。 有研究组在碳纳米管表面包裹蛋白质分子后, 发现可有效降低碳纳米管的毒性, 然后设计出一些基于碳纳米管-蛋白质的生物传感器, 用于疾病的诊断和检测。

　　作者指出，当前, 有关碳纳米管与蛋白质的作用, 还主要停留在细胞和小动物的水平, 对人体影响的研究结果还很少。 而从细胞和小动物的研究水平到人体水平还有很大的挑战, 还需要做更多的研究。 所以, 未来应该深入到碳纳米管的生产一线, 去采集人的相关样本。 分析碳纳米管通过呼吸、吸食暴露到人体后的动力学过程, 研究碳纳米管进入肺部或胃部后与相关蛋白质的作用, 检测在碳纳米管表面形成“蛋白冠”的组成成分, 为职业病人的救治提供帮助。 同时, 还应该去分析碳纳米管和蛋白质作用后, 在体内的迁移和代谢活动。 当然, 在研究的同时, 也要注意个体的差异和周围环境的影响。

　　另外, 在研究碳纳米管与蛋白质的相互作用时, 还需要对碳纳米管处于不同的生物体液中(如血液、胃液、肠液、肺液等)与蛋白质的相互作用进行区分, 分析碳纳米管表面蛋白质组成的变化, 观察生物学和病理生理学的变化, 优化实验规划和研究方法等。 当然, 除了关注碳纳米管对生物体的影响, 也需要加强对碳纳米管环境健康和生态毒理方面的研究。