美國科學(xué)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(xué)院納米安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)胞毒性”。該成果同時(shí)被PNAS選為該刊的研究亮點(diǎn)作重點(diǎn)介紹。
他們?cè)谘芯刻技{米管與血液相互作用過程與其毒理學(xué)效應(yīng)機(jī)制時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳納米管進(jìn)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(huì)在碳納米管的表面進(jìn)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(jí)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(dòng)力學(xué)理論模擬分析了蛋白分子與碳管表面的作用機(jī)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(jìn)一步的細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)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(duì)不同種類細(xì)胞的細(xì)胞毒性（圖，左起第六列）。這表明碳納米管在進(jìn)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(xì)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(xué)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(jìn)入體內(nèi)，與血液相互作用是其進(jìn)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(jìn)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(jìn)入體內(nèi)的共性之一。因此，本研究結(jié)果被認(rèn)為對(duì)理解碳納米管以及其他納米顆粒的體內(nèi)細(xì)胞毒性以及設(shè)計(jì)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(jìn)化過程中，對(duì)外來異物已經(jīng)形成了一系列的防御體系。對(duì)于納米尺度下的微小物質(zhì)，生物體是否會(huì)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(shí)驗(yàn)室針對(duì)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(xué)修飾降低納米顆粒細(xì)胞毒性是該實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)的“科技部重大研究計(jì)劃”納米研究項(xiàng)目的重點(diǎn)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(xué)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(xué)會(huì) Account of Chemical Research 撰寫系列綜述，分別闡述納米材料的毒理學(xué)效應(yīng)、細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)途徑、代謝動(dòng)力學(xué)行為、與毒理學(xué)特性的化學(xué)調(diào)控機(jī)制。
“中國科學(xué)院納米安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”明年將承辦“第六屆納米毒理學(xué)國際學(xué)術(shù)大會(huì)（2012年9月4-7日，北京）”。Nature Nanotechnology （Nature“納米技術(shù)”）將在這次大會(huì)上設(shè)立專門的Session，該刊負(fù)責(zé)人親自與會(huì)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(xué)行為這樣的前沿基礎(chǔ)科學(xué)問題，同時(shí)也被學(xué)術(shù)界和歐美工業(yè)界認(rèn)為是納米技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸之一。Nature刊物對(duì)這個(gè)問題如此重視，從另一個(gè)角度顯示出這個(gè)問題對(duì)納米技術(shù)的整體發(fā)展和實(shí)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(jì)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(dòng)力學(xué)理論模擬，
（左起第5列）以及細(xì)胞毒性的變化（Ge C.C. et al, PNAS, doi:10.1073/pnas.1105270108, 2011）。
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