中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室劉思金研究組在納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險評價(jià)與毒理機制方面取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果近期陸續發(fā)表于A(yíng)CS Nano (Xu， et al. 2018， DOI： 10.1021/acsnano.8b04906)， ACS applied Materials & Interfaces (Bai， et al. 2018， 10： 20368-20376)， ACS Sustainable Chemistry & Engineering (a) Zhang， et al. 2018， 6： 10374-10384； b) Wang and Liu， 2018， 6：4164-4173)， Nanoscale (Wu， et al. 2018， 10： 14637-14650)， NPG Asia Materials (Qi and Liu， et al. 2018， 10： 385-396) 和Nanotheranostics (Liu and Qi， et al， 2018， 2： 222-232)。
納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險與生物效應主要決定于材料自身的物理化學(xué)性質(zhì)。如何系統全面地揭示納米材料理化特性決定的環(huán)境健康風(fēng)險，一直都是環(huán)境健康研究領(lǐng)域的前沿科學(xué)問(wèn)題與挑戰。為了回答這個(gè)科學(xué)問(wèn)題，該課題組與德國漢堡大學(xué)教授Wolfgang J. Parak課題組開(kāi)展了深入的合作研究，以金納米顆粒（gold nanoparticles， AuNPs）作為研究模型，歷經(jīng)4年多的共同努力，在分子、細胞與動(dòng)物水平上，考察了21種具備不同理化性質(zhì)AuNPs的細胞**、與生物分子相互作用、蛋白冠形成、細胞吞噬和體內組織分布等生物作用行為的異同（圖1）。基于大量的實(shí)驗數據，創(chuàng )新性地運用統計學(xué)方法（hierarchical cluster analysis）尋找理化性質(zhì)的決定機制和構效關(guān)系機制，發(fā)現眾多的物理化學(xué)性質(zhì)與環(huán)境條件等因素綜合在一起決定了AuNPs的生物行為與效應，其中水合粒徑與表面電荷的影響更顯著(zhù)。此發(fā)現為納米材料的健康風(fēng)險評估和**預測等相關(guān)研究提供重要的數據支持。相關(guān)成果發(fā)表于A(yíng)CS Nano。同時(shí)，與合作伙伴一起利用計算模型揭示了納米顆粒物與生物分子的相互作用機制，相關(guān)成果發(fā)表于A(yíng)CS applied Materials & Interfaces。
目前，關(guān)于金屬納米材料（MNPs）的安全性評價(jià)仍存在諸多問(wèn)題和挑戰，如多數研究集中于MNPs所導致的某個(gè)單一**通路，而沒(méi)有系統地考慮多種**通路的交互作用；而且多數研究采用高劑量暴露，不能有效地反映實(shí)際環(huán)境暴露條件下MNPs的健康風(fēng)險。為此，該研究選擇了多種MNPs（包括稀土納米材料、納米銀、鐵氧化物納米材料、納米氧化鋅和納米二氧化鈦等），采用低劑量暴露，從多個(gè)角度系統地評價(jià)了MNPs對巨噬細胞的不良結局：細胞活力降低和死亡、氧化應激損傷、炎癥反應、細胞膜/細胞骨架損傷和吞噬能力降低等，發(fā)現了不同MNPs誘發(fā)細胞不良結局和相關(guān)**通路的異同，并進(jìn)行了系統的總結和歸納，如圖2所示。相關(guān)研究成果發(fā)表于A(yíng)CS Sustainable Chemistry & Engineering。在此基礎上，該課題組進(jìn)一步發(fā)現了量子點(diǎn)等MNPs誘發(fā)胚胎發(fā)育**的分子作用機制，相關(guān)研究成果發(fā)表于A(yíng)CS Sustainable Chemistry & Engineering。
作為極具應用前景的碳納米材料，石墨烯類(lèi)納米材料在環(huán)境、生物醫學(xué)和能源等領(lǐng)域得到越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)和應用。目前對于石墨烯類(lèi)納米材料的環(huán)境健康風(fēng)險已展開(kāi)了很多研究，但是對于此材料在環(huán)境介質(zhì)和生物介質(zhì)中的轉化過(guò)程及此轉化過(guò)程對其生物效應的影響了解甚少。為了揭示這個(gè)科學(xué)問(wèn)題，該課題組系統探索了氧化石墨烯（graphene oxide，GO）在環(huán)境介質(zhì)和體內肺生物介質(zhì)中的轉化過(guò)程和**變化。該研究發(fā)現在環(huán)境介質(zhì)中還原劑的作用下GO發(fā)生顯著(zhù)的還原并轉化為還原態(tài)氧化石墨烯（reduced graphene oxide，RGO），GO與RGO具有不同的含氧官能團并表現出顯著(zhù)不同的賦存形態(tài)，最終導致對巨噬細胞產(chǎn)生顯著(zhù)差異的**效應相關(guān)成果發(fā)表于Nanoscale。該課題組也揭示了GO在肺內生物介質(zhì)中的轉化過(guò)程與**及相關(guān)功能變化，研究成果發(fā)表于NPG Asia Materials和Nanotheranostics。
以上研究工作得到“973”項目、中科院先導專(zhuān)項B和國家基金委項目的支持。
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