美國科學院院刊 (PNAS, doi:10.1073/pnas.1105270108, 2011) 在10月3日在線發(fā)表了“中國科學院納米安全性重點實驗室”趙宇亮、陳春英、周如鴻等人在納米安全性方面的最新研究成果：“血液蛋白吸附降低碳納米管的細胞毒性”。該成果同時被PNAS選為該刊的研究亮點作重點介紹。
他們在研究碳納米管與血液相互作用過程與其毒理學效應(yīng)機制時發(fā)現(xiàn)，當碳納米管進入含有人血液蛋白的溶液中，人血液中的主要蛋白（如纖維蛋白原, 免疫球蛋白、白蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白）會在碳納米管的表面進行競爭性吸附，形成不同外形的所謂“王冠”形狀的蛋白-碳管復(fù)合物（圖，左起第一二列）。利用北京同步輻射圓二色以及生化分析結(jié)果表明，盡管碳管表面的吸附血液蛋白的二級結(jié)構(gòu)有輕微改變，但是蛋白的生化功能并沒有發(fā)生明顯變化。IBM研究所的周如鴻研究員通過分子動力學理論模擬分析了蛋白分子與碳管表面的作用機制，結(jié)構(gòu)顯示碳納米管的π電子與蛋白分子的芳香族氨基酸之間的相互作用力的大小，決定蛋白分子在碳管表面的競爭性吸附速率（圖，左起第三四五列）。在進一步的細胞毒性實驗研究中，他們發(fā)現(xiàn)“血液蛋白-碳管復(fù)合物” 降低了納米碳管對不同種類細胞的細胞毒性（圖，左起第六列）。這表明碳納米管在進入體內(nèi)以后，其表面容易吸附血液蛋白，可以大大降低其細胞毒性，提高其生物安全性。
碳納米管的應(yīng)用十分廣泛，其生物安全性是目前研究較多但也是學術(shù)界爭論較多的問題之一。無論納米材料通過什么途徑進入體內(nèi)，與血液相互作用是其進入體內(nèi)不可避免的過程。從更廣泛的角度看，大比表面積是納米顆粒的重要納米特性之一，因此，進入體內(nèi)以后它們的表面容易吸附血液蛋白，也是納米顆粒進入體內(nèi)的共性之一。因此，本研究結(jié)果被認為對理解碳納米管以及其他納米顆粒的體內(nèi)細胞毒性以及設(shè)計安全的納米材料，具有重要意義。
據(jù)趙宇亮研究員介紹，生物體在自身的進化過程中，對外來異物已經(jīng)形成了一系列的防御體系。對于納米尺度下的微小物質(zhì)，生物體是否會借助納米顆粒自身的某些特性（如大比較表面積等），利用體內(nèi)固有生物分子的相互作用，發(fā)展形成（如本研究結(jié)果所揭示）新的防御方式？這有待于今后更加深入系統(tǒng)的研究。
這是2001年以來，該實驗室針對碳納米材料生物效應(yīng)分析開展長期研究的系列成果之一。通過表面化學修飾降低納米顆粒細胞毒性是該實驗室承擔的“科技部重大研究計劃”納米研究項目的重點研究內(nèi)容（最近相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在JACS 2011；Angew. Chem. 2011； PNAS 2010等學術(shù)刊物）。由于其研究成果的國際影響，2011年應(yīng)邀為美國化學會 Account of Chemical Research 撰寫系列綜述，分別闡述納米材料的毒理學效應(yīng)、細胞轉(zhuǎn)運途徑、代謝動力學行為、與毒理學特性的化學調(diào)控機制。
“中國科學院納米安全性重點實驗室”明年將承辦“第六屆納米毒理學國際學術(shù)大會（2012年9月4-7日，北京）”。Nature Nanotechnology （Nature“納米技術(shù)”）將在這次大會上設(shè)立專門的Session，該刊負責人親自與會主持討論納米安全性問題。納米材料的安全性，不僅是納米尺度下物質(zhì)的生物化學行為這樣的前沿基礎(chǔ)科學問題，同時也被學術(shù)界和歐美工業(yè)界認為是納米技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一。Nature刊物對這個問題如此重視，從另一個角度顯示出這個問題對納米技術(shù)的整體發(fā)展和實際應(yīng)用的重要性。
本研究得到了國家科技部納米重大研究計劃，基金委和中科院的支持。
圖1，（左起第1,2列）人血液中的主要蛋白在碳納米管表面的吸附模式，
（左起第3,4列）表面相互作用的分子動力學理論模擬，
（左起第5列）以及細胞毒性的變化（Ge C.C. et al, PNAS, doi:10.1073/pnas.1105270108, 2011）。
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