納米材料與免疫系統(tǒng)的相互作用

汪雪峰，董利陽，王鈞，胡曙東，倪鴻昌（江蘇大學(xué)附屬人民醫(yī)院中心實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

納米材料與免疫系統(tǒng)的相互作用

汪雪峰，董利陽，王鈞，胡曙東，倪鴻昌
（江蘇大學(xué)附屬人民醫(yī)院中心實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

納米粒子；生物應(yīng)答；免疫系統(tǒng)；相互作用

納米粒子的免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)為納米材料研究的熱點問題之一，包括納米粒子對免疫應(yīng)答的激發(fā)或抑制功能，但納米粒子與免疫系統(tǒng)各組分的相互作用及其機(jī)制仍未完全闡明。本文主要綜述了納米材料與免疫系統(tǒng)的相互作用及其對免疫應(yīng)答類型的影響。

1 納米粒子對固有免疫反應(yīng)的影響

1.1 納米粒子吸附血清蛋白影響免疫反應(yīng)

研究表明，納米粒子可結(jié)合血清蛋白發(fā)揮生物學(xué)作用。多數(shù)血清蛋白可結(jié)合碳黑（carbon black，CB）、二氧化鈦（titanium dioxide，TiO2）或丙烯酰胺納米粒子。納米粒子吸附血清蛋白，通過活化或滅活受體依賴的信號發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)［1］。在血液中，納米粒子表面可吸附免疫球蛋白（immunoglobulins，Ig）和補(bǔ)體成分，參與固有和（或）適應(yīng)性免疫應(yīng)答［2］。Salvador-Morales等［3］報道，純化的單壁碳納米管（single-wall carbon nanotubes，SWCNTs）和雙壁碳納米管 （double-wall carbon nanotubes，DWCNTs）可通過經(jīng)典和替代途徑活化補(bǔ)體。納米管若選擇性地結(jié)合C1q，可活化補(bǔ)體的經(jīng)典途徑；而結(jié)合 C3b則可活化補(bǔ)體的替代途徑?；罨难a(bǔ)體成分可參與靶抗原的溶解、調(diào)理吞噬、抗體依賴的細(xì)胞介導(dǎo)的細(xì)胞毒性作用（antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC）等免疫效應(yīng)；也可以介導(dǎo)免疫損傷，參與免疫炎癥性疾病的進(jìn)程。

1.2 納米粒子影響巨噬細(xì)胞（macrophages，Mφs）的免疫功能

人的Mφs系U937細(xì)胞經(jīng)12-肉豆蔻酸-13-乙酸佛波酯（phorbol 12-myristate 13-acetate，PMA）刺激后，再經(jīng)TiO2（70 nm）、SiO2（15 nm）、氧化鋯（Zirconia，ZrO2）和鈷（Co）納米粒子刺激，可影響 Toll樣受體（Toll-like receptors，TLR）的表達(dá)。U937細(xì)胞在TiO2、SiO2刺激下，抑制 TLR9的表達(dá)；但在ZrO2刺激下，可增加TLR7和TLR3的表達(dá)，納米粒子可通過影響 TLRs的表達(dá)，從而影響 Mφs的免疫功能［4］。Wan等［5］用 20 nm Co和 TiO2刺激單核巨噬細(xì)胞，觀察基質(zhì)金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2，MMP-2）和 MMP-9的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅 20 nm的 Co引起 MMPs的表達(dá)和活性增加，活化蛋白-1（activator protein-1，AP-1）和蛋白酪氨酸激酶（protein tyrosine kinases，PTK）信號參與誘導(dǎo) MMPs的表達(dá)。Ma等［6］用 20 nm氧化鈰（cerium oxide，CeO2）單次滴注（最大劑量7 mg/kg）大鼠，觀察肺部炎癥和肺泡Mφs功能變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，體外經(jīng)LPS刺激1 d后，CeO2滴注的大鼠肺泡Mφs分泌的一氧化氮（nitric oxide，NO）水平減少，IL-12的水平增加；CeO2滴注 28 d后，肺泡 Mφs精氨酸酶-1（arginase-1）mRNA的表達(dá)增加，表明肺泡 Mφs從致炎的M1型向致纖維化的M2型轉(zhuǎn)化。Liu等［7］發(fā)現(xiàn)，5 nm TiO2灌注大鼠，可抑制大鼠肺泡 Mφs的吞噬作用及趨化功能，Mφs表面的Fc及MHCⅡ分子的表達(dá)也減少。而且，TiO2抑制Mφs的功能與納米粒子的大小密切相關(guān)，納米粒子越小，抑制作用越強(qiáng)。

納米粒子還可以抑制 Mφs對病原體的吞噬功能。Braydich-Stolle等［8］用鋁和氧化鋁 （aluminum oxide，Al2O3）刺激U937，觀察其對呼吸道病原體金黃色葡萄球菌的吞噬作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，25 μg/mL的鋁納米粒子削弱了 U937細(xì)胞對金黃色葡萄球菌的吞噬功能，而且抑制 U937細(xì)胞 NF-κB的活化及 IL-6、IL-1β、TNF-α、IL-8等多種致炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，即納米粒子削弱了 Mφs對金黃色葡萄球菌的吞噬作用及炎癥反應(yīng)。Shvedova等［9］也發(fā)現(xiàn)，直徑3～5 nm、長1～3 μm的SWCNTs，以40 μg的劑量滴注C57BL/6小鼠，可抑制小鼠肺部 Mφs對單核李斯特氏菌的吞噬作用，減少一氧化氮的產(chǎn)生；與PBS滴注組相比，SWCNTs滴注小鼠肺部Mφs對單核李斯特氏菌的清除能力降低，感染后期多種急性期細(xì)胞因子、趨化因子表達(dá)上調(diào)，表明SWCNTs滴注增強(qiáng)小鼠急性炎癥反應(yīng)和肺損傷，延遲細(xì)菌清除，增加了細(xì)菌肺部感染的敏感性。體外實驗證明，人單核細(xì)胞來源的Mφs在0.1 mg/mL的SWCNTs刺激下，對凋亡細(xì)胞的吞噬能力降低，對MCP-1的趨化作用受到抑制，說明 SWCNTs通過抑制 Mφs的功能影響免疫 反 應(yīng)［10］。

1.3 納米粒子影響樹突狀細(xì)胞（dendritic cells，DCs）的免疫功能

研究表明，聚苯乙烯納米粒子的大小與 DCs的相互作用關(guān)系密切。20 nm與500 nm的納米粒子注射C57BL/c小鼠后，500 nm的納米粒子經(jīng)淋巴結(jié)中CD8α+、CD8α-DC及類漿細(xì)胞DCs（plasmacytoid DCs，pDCs）轉(zhuǎn)運，相反，20 nm納米粒子可自由運輸，清除了DCs的小鼠中未見到 500 nm納米粒子的轉(zhuǎn)運。Kunzmann等［11］發(fā)現(xiàn)，硅包被的氧化鐵納米粒子誘導(dǎo)劑量依賴的 DCs細(xì)胞毒性，但同樣大小的葡聚糖包被的氧化鐵納米粒子對 DCs無細(xì)胞毒性；硅和葡聚糖包被的氧化鐵納米粒子均可以刺激DCs產(chǎn)生致炎性細(xì)胞因子。Winter等［12］報道，14 nm Si和TiO2均可以活化小鼠骨髓來源的DCs，促進(jìn)CD11c和 MHCⅡ的表達(dá)，活化炎癥復(fù)合體，即14 nm Si和TiO2通過影響 DCs細(xì)胞的功能影響免疫反應(yīng)。

2 納米粒子對適應(yīng)性免疫反應(yīng)的影響

關(guān)于納米材料對適應(yīng)性免疫反應(yīng)的影響的研究較少。Gustafsson等［13］報道，單劑量（5 mg/kg）的TiO2納米粒子吸入后，Dark Agouti大鼠氣道中介導(dǎo)免疫反應(yīng)的是CD4+T細(xì)胞，早期的炎癥因子是T細(xì)胞分泌的IL-1α、IL-1β、IL-6、細(xì)胞因子誘導(dǎo)的中性粒細(xì)胞趨化因子1（CNIC-1）和粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子 （GM-CSF）。Schanen等［14］用1.56 μmol/L的TiO2納米粒子處理人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVECs）和人外周血單個核細(xì)胞（peripheral blood mononuclear cells，PBMCs）24 h，導(dǎo)致 HUVECs和 PBMCs產(chǎn)生IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1α、IL-1β、INF-γ等炎性細(xì)胞因子；而且，納米粒子可刺激 DCs成熟，表達(dá)CD86、CD83、CCR7分子，促進(jìn)Na?ve CD4+T細(xì)胞的活化與增殖。同樣，Ghoneum等［15］發(fā)現(xiàn)，體外50～200 μg/ mL的納米鉆石或納米鉑（DPV576）刺激人單核細(xì)胞來源的DCs 24 h，可活化DCs，誘導(dǎo)DCs表達(dá)CD86、CD83，產(chǎn)生 IL-6、TNF和 IL-10，隨后活化Na?ve CD4+T細(xì)胞并刺激其增殖。因而這些納米粒子可通過刺激 DCs成熟、增強(qiáng) CD4+T細(xì)胞的增殖，從而增強(qiáng)機(jī)體的免疫反應(yīng)。Ogunwale等［16］發(fā)現(xiàn)，4 nm的鈷鉻（Co-chromium，CoCr）納米粒子對 DCs、T細(xì)胞、B細(xì)胞產(chǎn)生的效應(yīng)不同，25 μg/mL的 CoCr納米粒子不能活化 DCs和 B細(xì)胞，但能抑制 T細(xì)胞的增殖反應(yīng)。

與單獨的 DNA疫苗相比，DNA吸附陽離子聚苯乙烯（poly-L-lysine-coated）的納米粒子皮內(nèi)免疫小鼠，可增強(qiáng)抗體的產(chǎn)生，增強(qiáng) CD4+、CD8+T細(xì)胞的增殖反應(yīng)［17］。而且，納米粒子的大小也影響適應(yīng)性免疫反應(yīng)的類型。40～49 nm納米粒子包被的OVA抗原單次免疫小鼠，可誘導(dǎo)小鼠 CD8+T細(xì)胞產(chǎn)生 IFN-γ；而93～123 nm納米粒子包被OVA單次免疫小鼠，可誘導(dǎo)小鼠CD4+T細(xì)胞的活化，產(chǎn)生IL-4。49 nm納米粒子結(jié)合呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus，RSV）抗原 G88免疫小鼠，與單純G88免疫組相比，能誘導(dǎo)更高水平的 IFN-γ，顯著減少經(jīng)RSV滴鼻攻擊感染后的病毒滴度。因而，選擇不同大小的納米粒子作為抗原載體免疫小鼠，可影響小鼠適應(yīng)性免疫反應(yīng)的類型［18］。

3 納米粒子的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制

固有免疫和適應(yīng)性免疫間存在精細(xì)的平衡。納米粒子可通過調(diào)節(jié)固有和適應(yīng)性免疫細(xì)胞的功能來調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，但其具體的作用機(jī)制仍不清楚。近年來的研究發(fā)現(xiàn)納米材料影響 Th1/Th2細(xì)胞的平衡。10-5～10-7mol/L的鈷 納米 粒子刺 激后，人PMBCs可產(chǎn)生大量的 TNF-α、IFN-γ等 Th1相關(guān)細(xì)胞因子，但 IL-10等 Th2相關(guān)細(xì)胞因子減少［19］。Liu等［20］報道，0.5 μmol/kg的水溶性富勒烯C60注射小鼠后，血清中 IL-2、IFN-γ、TNF-α等 Th1相關(guān)細(xì)胞因子的產(chǎn)生增加，IL-4、IL-5等 Th2相關(guān)細(xì)胞因子的產(chǎn)生減少，CD4+/CD8+T細(xì)胞的比例增高，小鼠免疫反應(yīng)明顯增強(qiáng)。

納米粒子的另一個重要調(diào)節(jié)機(jī)制是誘導(dǎo)或改變DCs的分化和成熟，因而，納米材料可作為疫苗佐劑增加疫苗的免疫反應(yīng)。Wang等［21］報道，乙型肝炎病毒的 DNA疫苗用SiO2、層狀雙金屬氫氧化物納米顆粒負(fù)載，可刺激 DCs成熟。體內(nèi)免疫 BALB/c小鼠，納米粒子負(fù)載的 DNA疫苗誘導(dǎo)比單獨 DNA疫苗誘導(dǎo)有更強(qiáng)的血清抗體反應(yīng)，能促進(jìn)T細(xì)胞增殖，使T細(xì)胞向Th1方向極化，說明納米粒子可作為一種有效的非病毒基因傳遞系統(tǒng)，增強(qiáng)疫苗的免疫反應(yīng)。攜帶 DNA疫苗的聚丙烯酸酯納米顆粒，體外轉(zhuǎn)染小鼠 DC 2.4細(xì)胞系，可促進(jìn) DCs的分化成熟，轉(zhuǎn)染了該DNA納米顆粒的DCs可刺激活化Na?ve CD8+T細(xì)胞產(chǎn)生高水平的 IFN-γ，表明聚丙烯酸酯納米顆粒可作為高效的DNA疫苗佐劑，增強(qiáng)疫苗的免 疫 反 應(yīng)［22］。

4 結(jié)論

納米粒子可通過調(diào)節(jié)固有和適應(yīng)性免疫細(xì)胞來調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，但其具體的作用機(jī)制仍不清楚。在固有免疫反應(yīng)中，納米粒子被吞噬細(xì)胞吞噬后誘導(dǎo)或抑制致炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，影響固有免疫細(xì)胞對抗病原體的能力；在適應(yīng)性免疫反應(yīng)中，尤其需要研究納米粒子在 T細(xì)胞（Th1、Th2、Th17、Treg）平衡中的作用。研究納米粒子對免疫系統(tǒng)的影響，尤其是低濃度、低毒性納米粒子對免疫細(xì)胞及生物個體的免疫反應(yīng)，可為制備安全、有效的納米材料用于臨床應(yīng)用提供啟示和策略。

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B

1671-7783（2015）01-0085-03

10.13312/j.issn.1671-7783.y140127

國家自然科學(xué)基金資助項目（30801046）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項目（BK20141295）；江蘇省“333工程”資助項目

（BRA2014172）；江蘇省政府留學(xué)獎學(xué)金資助項目（2011年）；鎮(zhèn)江市重點醫(yī)學(xué)人才資助項目（2012年）

2014-05-14 ［編輯］何承志