納米顆粒對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)研究進(jìn)展*

王培歡 劉洪臣

納米材料是指至少有一個(gè)維度的直徑范圍在1-100nm之間且具有納米尺度獨(dú)特性質(zhì)和功能的物質(zhì)，而三維均在納米尺度的納米材料被稱為納米顆粒[1]。隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，納米顆粒已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)、建筑工業(yè)、化妝品及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。近年來，納米顆粒在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用也日益增多，如種植體涂層材料[2]、光固化復(fù)合樹脂[3]、根管封閉劑[4]、正畸粘接劑[5]、牙周抗菌凝膠[6]等。納米顆粒材料的應(yīng)用取得了良好的效果，同時(shí)其生物安全性也越來越多的引起人們的關(guān)注[7]。本文就納米顆粒對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)做一簡要綜述，以期為納米顆粒材料的進(jìn)一步應(yīng)用提供一定的參考。

1.納米顆粒的一般特點(diǎn)和特殊效應(yīng)

納米顆粒指三維尺寸均為納米量級(1-100nm)的未結(jié)合顆?；蚰蹜B(tài)顆粒，是處于原子簇和宏觀粒子交界區(qū)域的一種介觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)顆粒尺寸進(jìn)入納米量級時(shí)，其理化性質(zhì)將發(fā)生明顯的改變，表現(xiàn)出不同于一般顆粒物質(zhì)的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等特殊效應(yīng)。

表面效應(yīng)：隨著直徑的變小，納米顆粒比表面積將會顯著地增加，顆粒表面原子數(shù)相對增多，從而使這些表面原子具有很高的活性且極不穩(wěn)定，致使納米顆粒表現(xiàn)出不同于一般顆粒物質(zhì)的特性，這就是表面效應(yīng)。

小尺寸效應(yīng)：當(dāng)顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等新的物理性質(zhì)的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。

量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)顆粒尺寸下降到某一數(shù)值時(shí)，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。

宏觀量子隧道效應(yīng)：是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢壘。

2.納米顆粒對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)

納米顆粒所具有的這些特殊理化性質(zhì)使其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而當(dāng)其進(jìn)入生物體后可能會引發(fā)不同于普通顆粒物的特殊生物學(xué)效應(yīng)。研究表明，納米顆?？梢栽趧游铩⒓?xì)胞和亞細(xì)胞、蛋白和基因等多水平對生物體產(chǎn)生作用，納米顆粒對生物體作用的方式、途徑和機(jī)制是一個(gè)極其復(fù)雜的生物學(xué)過程，目前的研究多集中于細(xì)胞水平。

2.1 納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞的方式 納米顆粒主要通過內(nèi)吞和非內(nèi)吞兩種方式進(jìn)入細(xì)胞。內(nèi)吞作用又稱入胞作用或胞吞作用，是通過質(zhì)膜的變形運(yùn)動將細(xì)胞外物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)入細(xì)胞內(nèi)的過程。目前認(rèn)為大部分納米顆粒是通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的[8]，而根據(jù)入胞物質(zhì)的大小及入胞機(jī)制不同又可將內(nèi)吞作用分為吞噬作用、吞飲作用、受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用三種類型。吞噬作用主要存在于特定的吞噬細(xì)胞，如中性粒細(xì)胞或巨噬細(xì)胞等，一般認(rèn)為其主要作用于500nm以上的顆粒物質(zhì)，但有研究表明納米顆粒也可以通過吞噬作用進(jìn)入細(xì)胞[9]。吞飲作用可分為巨吞飲作用、網(wǎng)格蛋白依賴的吞飲作用、小窩蛋白依賴的吞飲作用、非網(wǎng)格蛋白和小窩蛋白依賴的吞飲作用，其主要作用于500nm以下的顆粒物質(zhì)。受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用是納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞的最有效途徑，但一種納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞的途徑常常涉及多種內(nèi)吞方式的聯(lián)合作用[10]。除此之外，納米顆粒還可以通過非內(nèi)吞方式被動進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部[11]。

2.2 納米顆粒與細(xì)胞自噬 自噬作用普遍存在于大部分真核細(xì)胞中，是依賴溶酶體途徑對胞質(zhì)蛋白和細(xì)胞器進(jìn)行降解的一種過程，在進(jìn)化上具有高度保守性，是真核細(xì)胞在長期進(jìn)化過程中形成的一種自我保護(hù)機(jī)制，能夠清除細(xì)胞內(nèi)受損傷的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、衰老的細(xì)胞器以及不再需要的生物大分子等，有利于細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持[12]。低水平自噬有助于細(xì)胞適應(yīng)環(huán)境，而過度的自噬會導(dǎo)致細(xì)胞損傷，成為細(xì)胞死亡的誘導(dǎo)劑。研究表明，納米顆?？梢砸鸺?xì)胞自噬。Wang等[13]研究發(fā)現(xiàn)鈷鉻鉬合金納米顆粒可以通過誘導(dǎo)小鼠成骨細(xì)胞自噬促進(jìn)種植體周圍的骨質(zhì)溶解，Liu等[14]同樣發(fā)現(xiàn)TiAl6V4鈦合金納米顆粒誘導(dǎo)小鼠巨噬細(xì)胞自噬促進(jìn)了TNF-α表達(dá)進(jìn)而引起假體周圍骨質(zhì)溶解；而Kang等[15]研究發(fā)現(xiàn)鉭納米顆粒誘導(dǎo)的自噬有利于小鼠成骨細(xì)胞的增殖，Wei等[16]發(fā)現(xiàn)氧化鋅納米顆粒通過PINK1/parkin介導(dǎo)的線粒體自噬對小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞BV-2有保護(hù)作用。

2.3 納米顆粒與細(xì)胞凋亡 細(xì)胞凋亡又稱細(xì)胞程序性死亡，是生命體的一種基本現(xiàn)象，是指多細(xì)胞有機(jī)體為了更好地適應(yīng)生存環(huán)境、調(diào)控機(jī)體發(fā)育、維護(hù)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定而采取的一種主動性“自殺”過程[17]，該過程通常由基因調(diào)控。細(xì)胞凋亡在細(xì)胞修復(fù)和受損細(xì)胞的清除中發(fā)揮著重要作用，細(xì)胞凋亡失調(diào)可導(dǎo)致細(xì)胞死亡和組織損傷，從而引起器官功能障礙，因此生物體的健康和疾病可以通過細(xì)胞凋亡來調(diào)節(jié)。一般來說，細(xì)胞凋亡的顯著特征包括細(xì)胞縮小變圓、細(xì)胞質(zhì)凝聚、細(xì)胞核濃縮、染色體降解以及凋亡小體的形成[18]。研究表明，納米顆?？梢砸鸺?xì)胞凋亡。Berry等[19]發(fā)現(xiàn)四氧化三鐵納米顆?？烧T導(dǎo)原代人成纖維細(xì)胞凋亡，Metz等[20]發(fā)現(xiàn)三氧化二鐵納米顆?？烧T導(dǎo)人單核細(xì)胞凋亡，Long等[21]首次報(bào)道二氧化鈦納米顆?？烧T導(dǎo)小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞、大鼠多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞和原代胚胎大鼠層神經(jīng)元細(xì)胞的凋亡，Lai等[22]證實(shí)二氧化鈦納米顆粒同樣可誘導(dǎo)人星形膠質(zhì)細(xì)胞的凋亡。

3.納米顆粒對細(xì)胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的可能機(jī)制

目前的研究認(rèn)為，納米顆粒對細(xì)胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)制主要是氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)不同尺寸和化學(xué)組成的納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞后均首先作用于細(xì)胞內(nèi)的氧化還原細(xì)胞器——線粒體。在正常情況下，線粒體可產(chǎn)生少量的活性氧，這些活性氧會被細(xì)胞內(nèi)多種酶組成的抗氧化防御系統(tǒng)所清除，從而保護(hù)細(xì)胞不受損傷。而當(dāng)納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞后，其本身及其所攜帶的過渡金屬元素會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈣濃度的升高和基因活化，進(jìn)而靶向性誘導(dǎo)線粒體發(fā)生氧化應(yīng)激，產(chǎn)生大量的活性氧。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)不足以清除過量的活性氧時(shí)，線粒體功能將會發(fā)生紊亂，同時(shí)細(xì)胞凋亡的相關(guān)通路將被激活，進(jìn)而引起細(xì)胞凋亡。除此以外，納米顆粒還可以引起多種炎癥因子的釋放。隨著納米顆粒引起的細(xì)胞氧化應(yīng)激水平的上升，NF-кB等前炎癥因子大量釋放，進(jìn)一步激活MAPK、AKT等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，引起機(jī)體炎癥反應(yīng)發(fā)生，進(jìn)而對細(xì)胞產(chǎn)生損傷導(dǎo)致細(xì)胞死亡。到目前為止，納米顆粒引起細(xì)胞氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的確切機(jī)制還不十分清楚，需要進(jìn)一步的深入研究。

4.影響納米顆粒對細(xì)胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的因素

研究表明，納米顆粒的化學(xué)組成、粒徑大小、形狀特征、劑量效應(yīng)、表面性質(zhì)及聚集狀態(tài)等因素均會影響其對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)。

4.1 納米顆粒的化學(xué)組成 不同化學(xué)元素組成的納米顆粒會對生物體及細(xì)胞產(chǎn)生不同的生物學(xué)效應(yīng)，如氧化鋅納米顆?？梢砸鹑朔谓M織的細(xì)胞反應(yīng)產(chǎn)生大量炎性因子，造成肺部炎癥，而氧化鎂納米顆粒卻不會引起肺部的炎癥反應(yīng)。此外，一些金屬元素納米顆粒進(jìn)入機(jī)體和細(xì)胞后，可能離散出相應(yīng)的金屬離子，從而加重其對機(jī)體和細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)。

4.2 納米顆粒的粒徑大小 粒徑大小是納米顆粒最主要的參數(shù)之一，同時(shí)也是影響細(xì)胞攝取納米顆粒的主要因素。一般來說，納米顆粒的粒徑越小，其表面積就越大，表面能就越高，較高的表面能使納米顆粒的反應(yīng)活性增加，因此其對機(jī)體和細(xì)胞的毒性作用也越大。在對金納米顆粒、二氧化硅納米顆粒等的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米顆粒的粒徑大小為50nm時(shí)，細(xì)胞對它的攝取效率最高[23,24]。而Hanada等[25]對二氧化鋯納米顆粒的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)顆粒粒徑為30nm時(shí)其細(xì)胞攝取率最高。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠腹腔巨噬細(xì)胞RAW264.7對碳納米顆粒的攝取率與顆粒粒徑呈正相關(guān)[26]，而人結(jié)腸癌細(xì)胞對β乳球蛋白納米顆粒的攝取率與顆粒粒徑呈負(fù)相關(guān)[27]。由此說明，不同細(xì)胞對不同納米顆粒攝取的最佳粒徑大小存在差異。

4.3 納米顆粒的形狀特征 納米顆粒的形狀特征是粒徑大小之外另一個(gè)影響細(xì)胞對其攝入的因素。一般認(rèn)為，球形的納米顆粒與圓柱形、橢球形或立方形等形狀的納米顆粒相比，更易于被細(xì)胞攝取。Florez等[28]研究發(fā)現(xiàn)球形納米顆粒與等體積的橢球形納米顆粒相比其細(xì)胞攝入率更高，Zhang等[29]發(fā)現(xiàn)與碟形納米顆粒相比球形顆粒同樣更易于被細(xì)胞攝取，Kolhar等[30]的研究也得出了相同的結(jié)果，這些研究結(jié)果得出的共同結(jié)論就是納米顆粒的縱橫比越大細(xì)胞的攝取率相對越低。然而也有研究得出了相反的結(jié)論，Landgraf等[31]就發(fā)現(xiàn)圓柱狀的二氧化硅納米顆粒表現(xiàn)出比球形納米顆粒更高的細(xì)胞攝入率。

4.4 納米顆粒的劑量效應(yīng) 劑量效應(yīng)是評價(jià)物質(zhì)對細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)不可或缺的重要指標(biāo)，對于納米顆粒來說同樣重要。一般來說，對于劑量效應(yīng)的評價(jià)多采用質(zhì)量濃度來作為評價(jià)的單位和標(biāo)準(zhǔn)，但由于納米顆粒所具有的特殊理化性質(zhì)，相同質(zhì)量的納米顆粒，其粒徑越小則顆粒數(shù)目越多，同時(shí)粒徑越小的納米顆粒其比表面積也越大，對細(xì)胞的損傷也越大。因此，對于納米顆粒來說，單純采用質(zhì)量濃度來作為評價(jià)劑量效應(yīng)的指標(biāo)不能清楚的表明其對細(xì)胞產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的劑量關(guān)系，還應(yīng)與顆粒粒徑、數(shù)目、比表面積等多種因素結(jié)合進(jìn)行綜合分析。

4.5 納米顆粒的表面性質(zhì) 納米顆粒的表面性質(zhì)主要是指表面電荷和表面修飾，當(dāng)納米顆粒與細(xì)胞接觸時(shí)，其表面性質(zhì)主導(dǎo)著兩者之間的相互作用[32]。表面電荷是影響納米顆粒對細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的重要參數(shù)之一，在納米顆粒與細(xì)胞膜的相互作用中發(fā)揮著重要作用。由于細(xì)胞膜表面呈負(fù)電性，因此表面帶正電荷的納米顆粒更易于被細(xì)胞攝入。研究表明，帶有不同電荷的納米顆粒進(jìn)入細(xì)胞的方式可能存在不同。納米顆粒表面可以被糖類、蛋白及抗體等物質(zhì)修飾，這些修飾物的自身性質(zhì)、空間分布、濃度范圍等因素均會影響細(xì)胞對納米顆粒的攝取。Ge等[33]研究發(fā)現(xiàn)碳納米顆粒表面蛋白修飾可有效減輕其對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)，Hanot等[34]發(fā)現(xiàn)超順磁氧化鐵納米顆粒表面修飾聚乙二醇分子可顯著影響倉鼠卵巢細(xì)胞對其的攝入率。

4.6 納米顆粒的聚集狀態(tài) 不同納米顆粒在不同溶劑中的分散性存在較大差異，分散性好的納米顆粒以單體形式存在，呈現(xiàn)出納米顆粒自身的理化性質(zhì)，而分散性較差的納米顆粒會聚集在一起形成較大的聚集體。當(dāng)納米顆粒形成聚集體后，其比表面積顯著降低，理化性質(zhì)隨之改變，呈現(xiàn)出不同于納米顆粒自身的特點(diǎn)。與此同時(shí)，聚集狀態(tài)的納米顆粒對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)也會發(fā)生相應(yīng)變化。研究發(fā)現(xiàn)，聚集狀態(tài)的納米顆粒與納米顆粒單體相比，更不易被細(xì)胞吸收，因此對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)較小。

5.納米顆粒在口腔醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

納米技術(shù)推動了傳統(tǒng)口腔材料的改良，使口腔臨床治療取得了巨大進(jìn)步。以納米氧化鋅、納米磷酸鈣及納米氧化硅等納米顆粒為填料的新型復(fù)合樹脂材料和粘接材料有效提高了其機(jī)械性能和粘接強(qiáng)度；納米羥基磷灰石作為根管充填材料不僅可以起到抑菌作用，還降低了傳統(tǒng)根管充填材料充填后根管脆性的增加；而對種植體表面進(jìn)行納米改性，更是大大提高了種植體的表面活性，有利于骨整合的實(shí)現(xiàn)。此外，在口腔頜面部惡性腫瘤化療方面，基于納米顆粒的新型藥物傳遞載體可以將抗癌藥物靶向運(yùn)送到腫瘤部位，在降低全身副作用的同時(shí)改善了局部藥物濃度，顯著提高了療效。隨著納米材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多，口腔患者接觸到納米顆粒的機(jī)會大大增加，納米顆粒的生物安全性問題也逐漸引起口腔醫(yī)生的關(guān)注。研究表明，多種口腔納米材料對中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有潛在毒性[35]，而不同納米顆粒對成骨細(xì)胞、牙髓細(xì)胞及牙周膜細(xì)胞等的生物學(xué)效應(yīng)將成為未來研究的重點(diǎn)。

6.總結(jié)與展望

納米技術(shù)已經(jīng)在藥物材料、疾病診斷、組織工程、口腔醫(yī)學(xué)等諸多生物醫(yī)藥領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，成為生命科學(xué)研究中不可或缺的重要組成部分。開展納米顆粒對細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的研究，有利于納米顆粒材料在生命科學(xué)領(lǐng)域中的安全應(yīng)用。目前的研究證實(shí)，納米顆粒的化學(xué)組成、粒徑大小、形狀特征、劑量效應(yīng)、表面性質(zhì)及聚集狀態(tài)等因素均會影響其對細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)，造成細(xì)胞自噬、凋亡、壞死等一系列細(xì)胞反應(yīng)，而其內(nèi)在機(jī)制尚不十分清楚。因此，不同納米顆粒對細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的機(jī)制研究仍將是下一步研究的重點(diǎn)。相信隨著研究的不斷深入，人們一定會掌握納米顆粒對細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制，從而避免或消除其對生物體及細(xì)胞的負(fù)面生物學(xué)效應(yīng)，進(jìn)一步拓展其在生命科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍。

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