中科院生态环境研究中心在碳纳米管毒理机制方面取得系列进展

中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室郭良宏研究组在碳纳米管细胞外排生物过程和效应方面取得重要进展，相关研究成果近期发表于国际著名纳米科学期刊Small并作为当期的封底文章(Small, 2016,12, 5998-6011)。

碳纳米管具有独特的理化性质，在电子、环境和纳米医药等领域的应用潜力巨大，而随之带来的潜在环境与健康危害也越来越受到关注。碳纳米管与细胞的相互作用始于物理接触，随后被细胞摄入、外排或者降解，这些生物过程决定了碳纳米管实际的细胞内暴露量，因而对碳纳米管后续的毒性/生物效应至关重要。全面深入了解这个复杂过程中涉及到的分子机制及后续生物效应，有利于揭示和调控碳纳米管的生物活性，促进碳纳米管技术的可持续发展。

郭良宏研究组近年来一直致力于碳纳米管的细胞毒代动力学和热力学过程及其毒理机制的研究。研究组从分子水平、细胞功能和细胞自噬等角度，对碳纳米管的免疫毒性机制进行了系统的研究。其工作中采用基因芯片技术研究了碳纳米管对巨噬细胞全基因组基因表达的影响，通过生物信息学分析，解析出碳纳米管在转录组水平对细胞的线粒体、蛋白酶体等细胞器以及细胞周期/凋亡等多个信号通路的基因表达的调控作用（Nanotoxicology, 2012）。以此为线索，研究组以原代小鼠腹腔巨噬细胞（PMQ）和纯化CD4+ T淋巴细胞为模型，评价了碳纳米管对PMQ吞噬功能、辅助细胞功能以及分泌细胞因子功能的干扰效应，揭示了碳纳米管在非毒性剂量水平，对免疫细胞功能的影响（Nanotoxicology, 2013）。

研究组近期在碳纳米管的细胞内吞、外排动力学过程研究中取得一系列新进展。研究定量分析了细胞累积碳纳米管随时间变化的趋势，发现每个巨噬细胞最大能累积皮克级的碳纳米管，巨胞饮在碳纳米管内吞过程中起主导作用，并存在明显的细胞外排现象(Scientific Reports, 2017)。碳纳米管进入细胞后定位于溶酶体，阻碍了细胞自噬体的消解，细胞自噬流被阻断，引起自噬体过度累积，导致细胞毒性。另一方面，通过调控细胞的呼吸爆发能有效控制其在溶酶体中的降解（Toxicology Letters, 2013; International Journal of Molecular Sciences, 2016）。研

究首次发现一种特殊的嘌呤受体-P2X7参与介导了碳纳米管的外排过程: 碳纳米管暴露导致细胞外ATP（eATP）浓度上升，激活了P2X7受体及其后续的一系列信号传导，并引起溶酶体碱化后沿着细胞骨架导轨排出细胞，碳纳米管随溶酶体一起排出（Small, 2016）。重金属离子Ni2+能通过抑制P2X7受体活性阻碍碳纳米管的正常外排，造成过量的碳纳米管在细胞内累积，引起碳纳米管毒性的显著上升 (Environmental Science & Technology, 2016)。以上工作明确了碳纳米管细胞外排机制，不仅有利于深入了解碳纳米管的毒性机制及提供可能的控制方法，还提出了一个纳米材料与化合物协同毒性效应的新机制，为研究环境中碳纳米管与其他污染物共存状态下的安全性评价提供了新的思路。

以上研究工作得到了国家基金委和中国科学院的资助。 （来源：中国科学院生态环境研究中心）

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41598-017-01746-9

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201670226/full

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201602410/full

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.est.6b03842

http://www.mdpi.com/1422-0067/17/3/409

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378427413010709

http://www.tandfonline.com/doi/full/10.3109/17435390.2012.694487

http://www.tandfonline.com/doi/full/10.3109/17435390.2011.573101