納米顆粒物對(duì)肺表面活性物質(zhì)界面性質(zhì)的影響

劉 丹,李 杰,曹 妍,耿迎雪,柴小龍,蔣凡殊,師偉萌,趙 群,田森林

納米顆粒物對(duì)肺表面活性物質(zhì)界面性質(zhì)的影響

劉 丹,李 杰,曹 妍,耿迎雪,柴小龍,蔣凡殊,師偉萌,趙 群*,田森林*

(昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南 昆明 650500)

以納米二氧化硅、納米碳粉、納米氧化鋅、納米氧化鈰、納米碳化硅和納米四氧化三鐵等納米顆粒物(NPs)為代表,研究其對(duì)肺表面活性物質(zhì)(PS)界面性質(zhì)的影響.結(jié)果表明,NPs對(duì)PS中的磷脂和蛋白組分均有吸附作用,其中納米二氧化硅和納米四氧化三鐵分別對(duì)磷脂和蛋白組分的吸附能力最強(qiáng),吸附率為89.3%和82.5%.NPs的存在會(huì)導(dǎo)致PS溶液的表面張力升高,這當(dāng)中納米二氧化硅的效果最為顯著.納米碳化硅和納米二氧化硅等顆粒物會(huì)引起PS膜的π-A等溫線的內(nèi)縮/外擴(kuò),且顆粒物濃度越高,表面壓力變化越明顯.此外,PS也會(huì)對(duì)NPs的水合動(dòng)力學(xué)直徑和Zeta電位產(chǎn)生影響,導(dǎo)致其分散狀態(tài)變化.由此可見,NPs可通過改變PS的組成和界面性質(zhì)而具備危害人體健康的潛力.

納米顆粒物；肺表面活性物質(zhì)；界面化學(xué)性質(zhì)；吸附作用；肺健康

納米顆粒物(NPs)作為粒度小于100nm的微粒,由于其獨(dú)特的理化特性而被廣泛應(yīng)用于電子、食品、建筑、紡織、醫(yī)療器械和藥物等領(lǐng)域[1].近年來,其暴露所帶來的環(huán)境和健康問題逐漸引起了人們的關(guān)注[2-3].呼吸暴露是NPs人體暴露的主要途徑,由于粒徑小、重量輕,NPs極易通過呼吸作用進(jìn)入肺部,甚至在肺泡中沉積[4].而一旦到達(dá)肺泡區(qū),吸入的NPs首先會(huì)與肺泡內(nèi)襯層的肺表面活性物質(zhì)(PS)液膜相接觸[5-6].PS主要是由脂質(zhì)(85%～90%,主要為二棕櫚酰磷脂酰膽堿)和表面活性蛋白(10%)組成的復(fù)合物[7-8].它以薄膜的形式覆蓋在整個(gè)呼吸道的表面,在降低肺泡表面張力,維持肺泡穩(wěn)定和機(jī)體防御等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,是維持正常呼吸必不可少的關(guān)鍵組分[9-10].特殊的脂蛋白體系和界面化學(xué)性質(zhì)是PS功能的基礎(chǔ)[11].

由于比表面積大[12]和吸附能力強(qiáng)[13]的特性, NPs在接觸到PS后,可能會(huì)吸附PS中的活性組分,這將會(huì)改變PS的組成體系,導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和功能的異常,干擾PS的界面化學(xué)性質(zhì)[14],進(jìn)而誘導(dǎo)呼吸疾病的產(chǎn)生.研究發(fā)現(xiàn)[15]細(xì)顆粒物的添加會(huì)使肺泡灌洗液中磷脂濃度降低.當(dāng)大鼠吸入石英、二氧化硅、二氧化鈦和碳化硅等顆粒物時(shí),將會(huì)對(duì)灌洗液中脂質(zhì)和蛋白質(zhì)含量產(chǎn)生顯著影響.大量的毒理學(xué)研究雖已證實(shí)NPs暴露不僅與肺功能降低有關(guān),也可誘發(fā)肺部炎癥、肺纖維化和肺損傷等肺部疾病的產(chǎn)生[16-17].然而,NPs暴露與肺功能下降之間的因果關(guān)系仍缺乏足夠的物理和化學(xué)證據(jù).

因此,鑒于以往生理學(xué)、毒理學(xué)等領(lǐng)域在評(píng)估NPs暴露與人體健康效應(yīng)難以全面認(rèn)識(shí)物理化學(xué)作用機(jī)制的問題.本文通過體外實(shí)驗(yàn),采用界面化學(xué)的方法考查NPs暴露對(duì)PS的氣-液界面化學(xué)性質(zhì)的影響.以提取的動(dòng)物源肺表面活性物質(zhì)為PS模擬物,以納米二氧化硅、納米碳粉、納米氧化鋅、納米氧化鈰、納米碳化硅和納米四氧化三鐵為NPs的代表,主要探究了NPs對(duì)PS中的活性組分(磷脂和蛋白組分)的吸附作用,研究了NPs對(duì)PS表面張力、相行為等界面化學(xué)性質(zhì)的影響,并通過布魯斯特角顯微鏡(BAM)對(duì)存在/不存在NPs時(shí)PS膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,進(jìn)一步研究了PS及其活性組分對(duì)NPs分散狀態(tài)的影響,以期更加深入地了解NPs暴露對(duì)天然PS界面行為不利的物理和化學(xué)效應(yīng)以及NPs對(duì)肺潛在的毒性作用.

1 材料和方法

1.1 藥品與試劑

天然的PS從屠宰場(chǎng)獲得的豬肺泡灌洗液中獲取,提取過程參照Bernahard[18]的方法,將生理鹽水反復(fù)灌入新鮮豬肺得到肺泡灌洗液,然后再將灌洗液經(jīng)過濾、離心、氯仿萃取、濃縮、乙酸乙酯沉淀、凍干等處理過程得到白色蠟狀PS產(chǎn)物;二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC,純度399%)購自Sigma公司;牛血清蛋白(BSA,純度98%)購自北京百靈威科技有限公司;納米SiO2(直徑:(50±5) nm,純度99.99%)、納米碳粉(NCPs,直徑:30nm,純度95%)購自麥克林試劑有限公司;納米ZnO (直徑:(50±10) nm,純度99.5%)、納米CeO2(直徑:20～50nm,純度99.5%)、納米SiC (直徑:40nm,純度99.99%)、納米Fe3O4(直徑:20nm,純度99%)均購自阿拉丁試劑有限公司;氯化鈉、二氯甲烷、三氯甲烷、六水合三氯化鐵和硫氰亞鐵銨均為分析純,購自成都市科龍化工試劑廠;蛋白檢測(cè)試劑盒(考馬斯亮藍(lán))購自南京建成生物工程研究所;實(shí)驗(yàn)用水均為超純水.

1.2 NPs對(duì)PS活性組分的吸附

在40mL的頂空瓶中分別加入18mL的PS溶液(原濃度200mg/L)和2mL 的BSA溶液(表面活性蛋白的代表,原濃度50mg/L),為接近肺內(nèi)PS的組成情況需確?；旌弦褐辛字c蛋白組分的比例為9:1[19-20].此外,鑒于NPs潛在的累積效應(yīng),選取0.1g/L暴露濃度進(jìn)行了吸附實(shí)驗(yàn),即在混合液中加入0.002g NPs混均.將頂空瓶密封并置于恒溫?fù)u床中,在(37±0.5)℃下以(120±5) r/min的速度振蕩48h.再在(37±0.5)℃下以3000r/min離心20min,最后再靜置3h.

磷脂含量測(cè)定: 依據(jù)硫氰亞鐵銨與脂質(zhì)反應(yīng)會(huì)生成溶于氯仿的有色復(fù)合物的原理,對(duì)磷脂進(jìn)行定量分析.移取5mL上清液,再加入5mL的氯仿和2mL的0.1mol/L的硫氰亞鐵銨溶液,混均1min后在室溫下3000r/min離心2min,抽取3mL下層氯仿溶液,用紫外分光光度計(jì)測(cè)定其在470nm處的吸光度值.

蛋白質(zhì)含量測(cè)定: 通過考馬斯亮藍(lán)法進(jìn)行蛋白含量的測(cè)定.移取上清液1mL再加入2mL蛋白顯色劑溶液,混均15min后在紫外分光光度計(jì)上測(cè)定595nm處的吸光度值.

將上述測(cè)定的吸光度值代入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(表1)即可求得溶液中磷脂和蛋白的含量,進(jìn)一步通過公式(1)可計(jì)算出NPs對(duì)磷脂和蛋白的吸附量.

表1 磷脂和蛋白組分測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)曲線

注:為表面活性組分在鹽水溶液中的真實(shí)濃度(mg/L);為表面活性組分的吸光度值.

式中:0和1分別表示PS的初始和平衡濃度,mg/L;為磷脂和蛋白的吸附量,mg/g;為NPs的質(zhì)量,g;為溶液的體積, L.

1.3 表面張力實(shí)驗(yàn)

在20mL的50mg/L的PS溶液中加0.002g NPs,配制成顆粒物濃度0.1g/L的懸浮液,在(37±0.5)℃下,以(120±5) r/min振蕩 48h,再在37℃下以3000r/min離心20min,靜置3h后取上清液用Wilhelmy板法測(cè)定表面張力.

1.4 表面壓力-面積(π-A)等溫線

通過Langmuir-Wilhelmy膜天平對(duì)存在/不存在顆粒物時(shí)PS的π-A等溫線進(jìn)行測(cè)量.亞相溶液為超聲分散30min后的包含不同NPs濃度的生理鹽水懸浮液.

將260mL的亞相溶液(37±0.5)℃倒入液槽中,然后用微量進(jìn)樣器將30μL的儲(chǔ)備膜液(1g/L的PS的氯仿溶液)均勻的滴加在亞相溶液的表面,靜置20min,待氯仿完全揮發(fā),然后調(diào)節(jié)滑障速率為15mm/min進(jìn)行對(duì)稱壓縮,壓縮至液槽表面積剩余10%,同時(shí)設(shè)備將自動(dòng)記錄表面壓力隨液槽表面積的變化曲線(即π-A等溫線).此外,以納米SiC和納米SiO2為NPs的代表,進(jìn)一步考查NPs濃度的變化對(duì)PS的π-A等溫線的影響.

1.5 表面壓力-時(shí)間(π-t)等溫線

按照1.4所述的實(shí)驗(yàn)過程,待氯仿完全揮發(fā)后,將設(shè)備調(diào)成π-t模式,分別將SiO2和SiC存在下的初始表面壓力設(shè)置為5和30mN/m,當(dāng)壓縮到表面壓力設(shè)定值時(shí)設(shè)備將自動(dòng)停止,然后設(shè)備將自動(dòng)記錄表面壓力隨時(shí)間的變化曲線,也即π-t等溫線.為了更加直觀的觀測(cè)顆粒物對(duì)PS膜微觀結(jié)構(gòu)的影響,通過BAM對(duì)氣-液界面處的PS膜進(jìn)行了觀測(cè)[21].

1.6 粒徑分布及Zeta電位分析

將0.0002g NPs分別加入到20mL的生理鹽水溶液和40mg/L的PS各活性組分溶液(PS、DPPC和BSA)中,控制NPs的含量為10mg/L.將樣品溶液超聲處理30min,多次過濾后分別經(jīng)由動(dòng)靜態(tài)光散射儀和Zeta電位分析儀測(cè)定NPs的粒徑分布和表面電位.

1.7 數(shù)據(jù)處理

每組實(shí)驗(yàn)均做空白和平行實(shí)驗(yàn),以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.本文采用空白(0.9% NaCl)為對(duì)照,且每組實(shí)驗(yàn)至少測(cè)量3次以保證其重復(fù)性,誤差線表示95%的置信水平(=3).所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Origin 9.0和Microsoft Power Point軟件處理并作圖,結(jié)果以均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(mean ± SE)的形式表示.

2 結(jié)果與討論

2.1 NPs對(duì)PS中活性組分的吸附

磷脂和特異性蛋白作為PS的主要活性組分是其發(fā)揮正常生理功能的基礎(chǔ).由于NPs特有的強(qiáng)吸附性能,當(dāng)與PS相接觸后可能會(huì)吸附PS中的活性組分,這也是NPs能對(duì)PS界面性質(zhì)產(chǎn)生影響的根本原因.因此,在此探究了幾種典型NPs對(duì)PS中磷脂以及蛋白組分的吸附作用.如圖1(a)所示,各種NPs對(duì)PS中的磷脂組分均呈現(xiàn)一定的吸附作用,吸附能力的大小為:SiO2> SiC > NCPs > ZnO > SnO2> Co3O4> Fe3O4> CeO2,其中納米SiO2對(duì)磷脂組分的吸附作用最強(qiáng),吸附率高達(dá)89.3%.鑒于磷脂組分在PS界面化學(xué)性質(zhì)中所起到的作用(降低肺泡氣–液界面的表面張力)[22],NPs的吸入可能會(huì)導(dǎo)致PS界面化學(xué)性質(zhì)的異常,這將在表面張力部分進(jìn)行討論.從圖1(b)也可以看出,NPs對(duì)蛋白組分都有一定的吸附能力,吸附作用的順序?yàn)?Fe3O4> ZnO > SiO2> SiC > NCPs > SnO2> Co3O4> CeO2,其中吸附蛋白能力最強(qiáng)的是納米Fe3O4,吸附率為82.5%. PS中表面活性蛋白的含量雖然較少,但其對(duì)于保持PS膜的機(jī)械穩(wěn)定性,以及機(jī)體防御具有重要意義[23].由此可以推斷,除了顆粒物本身能促進(jìn)和產(chǎn)生活性氧物質(zhì),NPs對(duì)蛋白組分的吸附作用也可能是其誘發(fā)機(jī)體炎癥反應(yīng)的一個(gè)重要原因.

2.2 NPs對(duì)PS表面張力的影響

PS的低表面張力特性是其發(fā)揮生理功能的基礎(chǔ),而維持PS的界面化學(xué)特性對(duì)于正常的呼吸功能具有重要的意義[24].因此,探究NPs暴露對(duì)PS溶液表面張力的影響很有必要.在圖2中,當(dāng)NPs濃度為0.1g/L時(shí),PS溶液的表面張力都呈現(xiàn)升高的現(xiàn)象,其增加的順序?yàn)?SiO2> SiC > NCPs > SnO2> ZnO > Co3O4> Fe3O4> CeO2,這與圖1(a)中NPs對(duì)PS中磷脂組分的吸附能力相一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了磷脂是PS中降低表面張力的最關(guān)鍵組分.可見,NPs的吸入會(huì)導(dǎo)致肺泡內(nèi)PS表面張力的升高,鑒于正常呼吸功能與PS表面張力的密切關(guān)系,長時(shí)間暴露在富含NPs的環(huán)境中不僅會(huì)干擾正常的呼吸功能,也可能加劇呼吸系統(tǒng)疾病的產(chǎn)生.

圖2 NPs對(duì)PS(50mg/L)表面張力的影響

2.3 NPs對(duì)PS氣-液界面π-A和π-t等溫線的影響

由于PS在氣-液界面的π-A等溫線與呼吸過程中肺泡的相行為變化相似,而被廣泛用于體外環(huán)境污染物暴露的肺功能評(píng)估[25].PS單層的表面壓力-表面積等溫線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,當(dāng)亞相為生理鹽水時(shí),PS的π-A等溫線在滑障不斷壓縮的過程中,氣-液界面處PS的分子間距不斷減小,表面壓力不斷增大,依次出現(xiàn)了氣、液、固3個(gè)相態(tài)的轉(zhuǎn)變,PS單層的最大表面壓力可達(dá)50mN/m,這與Fan等[26]的報(bào)道一致.當(dāng)NPs存在時(shí),PS的π-A等溫線發(fā)生了兩種不同的變化.其中,納米SiC、NCPs、納米ZnO和納米Co3O4使得π-A等溫線向表面積變小的方向移動(dòng)(內(nèi)縮),同一表面積對(duì)應(yīng)的表面壓力下降明顯,其對(duì)應(yīng)的π-A等溫線的氣-液相的相轉(zhuǎn)變點(diǎn)也出現(xiàn)了明顯后移現(xiàn)象.與之相反,納米SiO2、Fe3O4、SnO2和CeO2等顆粒物存在導(dǎo)致了PS膜π-A等溫線的外擴(kuò),即整個(gè)曲線向表面積增大的方向移動(dòng),同一表面積所對(duì)應(yīng)的表面壓力升高,氣-液相的相轉(zhuǎn)變明顯提前.

圖3 NPs對(duì)PS氣-液界面π-A等溫線的影響

磷脂作為氣-液界面處PS膜的主要成膜組分,顆粒物吸附能力越強(qiáng),成膜組分的含量越少[27],相應(yīng)的π-A等溫線應(yīng)呈現(xiàn)內(nèi)縮趨勢(shì).從吸附實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看(圖1(a)),SiC和SiO2對(duì)磷脂的吸附能力較強(qiáng),但是其存在下PS的π-A等溫線卻呈現(xiàn)相反的趨勢(shì),因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中選取SiC和SiO2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.在圖4(a)中,SiC濃度越高,PS的π-A等溫線內(nèi)縮現(xiàn)象越明顯.當(dāng)亞相中SiC濃度分別為0,0.01,0.02和0.1g/L時(shí),在表面積為160cm2處,其對(duì)應(yīng)的表面壓力分別為6.96,6.12,4.51,2.31mN/m, PS π-A等溫線氣-液相的相轉(zhuǎn)變所對(duì)應(yīng)的位置分別為205.85,201.92, 192.21,167.91cm2.π-A等溫線在氣-液相階段的表面壓力與界面上的表面活性分子的含量呈正相關(guān)[28-29].SiC造成PS的π-A等溫線內(nèi)縮,可能是由于顆粒物的吸附作用導(dǎo)致.

在NPs等外源物質(zhì)對(duì)細(xì)胞膜的吸附或滲透性實(shí)驗(yàn)中,吸附能力的變化通常由表面壓力隨時(shí)間的變化來解釋[29].為揭示NPs對(duì)PS的吸附行為,進(jìn)一步選取初始表面壓力為30mN/m開展π-t等溫線實(shí)驗(yàn),其結(jié)果如圖4(b)所示.亞相溶液不含SiC時(shí),π-t等溫線的穩(wěn)態(tài)表面壓力為30mN/m左右,而當(dāng)添加了顆粒物時(shí),π-t等溫線的穩(wěn)態(tài)表面壓力逐漸降低,且隨著亞相中顆粒物濃度的增加表面壓力逐漸下降.這表明SiC濃度越高,其吸附的PS越多,解釋了π-A等溫線在氣-液相階段表面壓力降低的原因(圖4(a)),這與表面張力(圖2)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的.

為了更直觀地觀察SiC暴露對(duì)PS膜的影響,通過BAM對(duì)SiC存在/不存在時(shí)氣-液界面處PS單層膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀測(cè).結(jié)果表明,與不含SiC的 PS單層膜相比(圖4(c)),含有SiC的 PS單層膜的界面上出現(xiàn)了空洞(圖4(d)),這是SiC對(duì)氣-液界面處的PS的吸附導(dǎo)致的.由此可以推斷,SiC對(duì)PS π-A等溫線的造成的內(nèi)縮影響主要?dú)w因于其對(duì)PS成膜組分的吸附作用.

如圖5(a)所示,亞相中不同濃度(0,0.001,0.01和0.1g/L)的SiO2均使π-A等溫線外擴(kuò),且顆粒物濃度越高,外擴(kuò)現(xiàn)象越明顯,相同表面積處對(duì)應(yīng)的表面壓力上升得越快.Guzman等[30]發(fā)現(xiàn),SiO2可導(dǎo)致DPPC單分子膜表面壓力的升高.Hao等[29]也發(fā)現(xiàn)NPs能嵌入界面上DPPC單層膜的間隙,從而導(dǎo)致其表面壓力升高.因此,納米SiO2導(dǎo)致PS單層膜π-A等溫線外擴(kuò)也可能是發(fā)生了類似的作用.如圖5(b)所示,當(dāng)初始表面壓力為5mN/m,不存在納米SiO2時(shí),π-t等溫線的穩(wěn)態(tài)表面壓力維持在5mN/m左右.而當(dāng)亞相溶液中存在SiO2時(shí),表面壓力逐漸上升,且顆粒物濃度越大,表面壓力上升的越明顯.這是由于在低表面壓力下,界面上的PS分子排列的相對(duì)疏松,分子之間的間隙較大[19,26-27],有利于亞相中的顆粒物吸附到界面并嵌入到PS膜之中,解釋了SiO2存在時(shí)表面壓力升高的現(xiàn)象.為驗(yàn)證這一推論,對(duì)不存在/存在SiO2時(shí)的PS膜進(jìn)行了BAM觀察.與不含SiO2(圖5(c))相比,當(dāng)亞相中添加SiO2后,PS分子膜中出現(xiàn)大量的白色亮斑(圖5(d)),這些白色的斑點(diǎn)就是SiO2.由此可見, SiO2造成PS單層膜π-A等溫線外擴(kuò)的主要原因是顆粒物嵌入到了界面膜的分子間隙中.

2.4 PS對(duì)NPs粒徑和Zeta電位的影響

粒徑大小是控制顆粒物機(jī)體轉(zhuǎn)化及其毒性作用的關(guān)鍵因素,與PS相接觸后,PS也可能對(duì)NPs的粒徑產(chǎn)生影響,其中水合動(dòng)力學(xué)直徑可反映顆粒物在溶液體系中的粒徑分布狀態(tài)[31].選取納米SiO2和納米SiC為NPs代表,進(jìn)一步探究在PS及其活性組分的溶液中顆粒物水合動(dòng)力學(xué)直徑變化.不同溶液體系中粒徑分布結(jié)果如圖6所示,在生理鹽水中SiO2(圖6(a))和SiC(圖6(b))水動(dòng)力學(xué)直徑主要分布在2和1.2μm.加入PS后, SiO2的水動(dòng)力學(xué)直徑出現(xiàn)了減小現(xiàn)象,其水動(dòng)力學(xué)直徑主要集中在0.89μm,而SiC則相反,其直徑主要集中在1.4μm.這表明,PS提高了SiO2的分散性,促使SiC團(tuán)聚.在PS的主要組分DPPC和BSA溶液中,由其粒徑變化可知,DPPC可促使SiO2和SiC的團(tuán)聚,BSA則有利于SiO2和SiC的分散.此外,由圖1可知,SiO2和SiC是吸附DPPC最強(qiáng)的兩種納米顆粒物,DPPC使SiO2和SiC水合動(dòng)力學(xué)直徑增大的原因也有可能是其大量吸附DPPC造成的.

Zeta電位是懸浮物穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[32], Zeta電位的絕對(duì)值越高,體系趨向于分散且越穩(wěn)定.反之,顆粒物越傾向于聚集.生理鹽水、PS、DPPC、BSA中的SiO2和SiC的Zeta電位如圖6所示.與生理鹽水中的Zeta電位相比,PS溶液中SiO2(圖6(c))和SiC (圖6(d))Zeta電位的絕對(duì)值分別為5.89和3.54mV,這表明PS使SiO2的性能更穩(wěn)定,分散性提高;而SiC則更趨于凝聚,分散性降低,這與水合粒徑的結(jié)果相對(duì)應(yīng).DPPC則使SiO2和SiC的Zeta電位的絕對(duì)值減小,BSA使SiO2和SiC的Zeta電位的絕對(duì)值增大,這表明DPPC是PS活性組分中促使SiO2和SiC在溶液中趨于凝聚的主要原因.有研究認(rèn)為細(xì)顆粒物在肺液中的團(tuán)聚有益于肺部對(duì)這些細(xì)顆粒物的清除過程[33],但若肺部積累過多的NPs可能會(huì)引起呼吸道疾病的產(chǎn)生,故探究顆粒物在肺部的分散/團(tuán)聚的性能,對(duì)評(píng)估NPs在體內(nèi)運(yùn)輸及其對(duì)健康的危害有非常重要的意義.

圖6 納米SiO2和納米SiC在生理鹽水、PS、DPPC、BSA中的水合動(dòng)力學(xué)直徑及Zeta電位

3 結(jié)論

3.1 NPs對(duì)PS中的活性組分(磷脂和蛋白)都有一定的吸附作用,其中納米SiO2和納米Fe3O4分別對(duì)磷脂和蛋白有較強(qiáng)的吸附作用,吸附率分別為89.3%和82.5%.

3.2 NPs均可導(dǎo)致PS溶液表面張力的升高,且與NPs對(duì)磷脂組分的吸附能力呈正相關(guān).納米SiC對(duì)PS的吸附導(dǎo)致了PS膜上成膜組分(磷脂)的減少和π-A等溫線內(nèi)縮,而納米SiO2進(jìn)入PS膜的分子間隙導(dǎo)致π-A等溫線的外擴(kuò).

3.3 PS及其活性組分會(huì)對(duì)NPs的水合動(dòng)力學(xué)直徑和Zeta電位產(chǎn)生影響,改變?nèi)芤后w系中NPs的穩(wěn)定性,從而可影響其在機(jī)體內(nèi)的遷移歸趨.

[1] Li X M, Liu W, Sun L, et al. Effects of physicochemical properties of nanomaterials on their toxicity [J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2015,103(7):2499-2507.

[2] Kreyling W G, Semmler-Behnke M, Takenaka S, et al. Differences in the biokinetics of inhaled nano- versus micrometer-sized particles [J]. Acc Chem Res, 2012,46(3):714-722.

[3] Li R, Navab K, Hough G, et al. Effect of exposure to atmospheric ultrafine particles on production of free fatty acids and lipid metabolites in the mouse small intestine [J]. Environmental Health Perspectives, 2015,123(1):34-41.

[4] Valle R P, Wu T, Zuo Y Y. Biophysical influence of airborne carbon nanomaterials on natural pulmonary surfactant [J]. Acs Nano, 2015,9(5):5413-21.

[5] Schleh C, Hohlfeld, Jens M, et al. Interaction of nanoparticles with the pulmonary surfactant system [J]. Inhalation Toxicology, 2009,21:97- 103.

[6] Muhlfeld C, Rothen-Rutishauser B, Blank F, et al. Interactions of nanoparticles with pulmonary structures and cellular responses [J]. AJP: Lung Cellular and Molecular Physiology, 2008,294(5):L817- L829.

[7] Peters A, Veronesi B, Lilian Calderón-Garcidueas, et al. Translocation and potential neurological effects of fine and ultrafine particles a critical update [J]. Particle and Fibre Toxicology, 2006,3(1):13.

[8] Curstedt T, Calkovska A, Johansson J. New generation synthetic surfactants [J]. Neonatology, 2013,103(4):327-330.

[9] Ki-Hyun Kim, Shamin Ara Jahan, Ehsanul Kabir. A review on human health perspective of air pollution with respect to allergies and asthma – ScienceDirect [J]. Environment International, 2013,59(3):41-52.

[10] 董聲煥.肺表面活性物質(zhì)基礎(chǔ)與臨床 [M]. 北京:人民軍醫(yī)出版社, 2012:18-24.

Dong S H. Pulmonary surfactant basic and clinical studies [M]. Beijing: People’s Military Medical Press, 2012:18-24.

[11] Speer C P, Sweet D, Halliday H L. Surfactant therapy: past, present and future [J]. Early Human Development, 2013,89:S22-S24.

[12] I Pujalté, Passagne I, Brouillaud B, et al. Cytotoxicity and oxidative stress induced by different metallic nanoparticles on human kidney cells. [J]. Particle & Fibre Toxicology, 2011,8(1):10.

[13] 趙 建.人工納米顆粒對(duì)生物體內(nèi)主要生物分子和多環(huán)芳烴的吸附[D]. 青島:中國海洋大學(xué), 2011.

Zhao J. Adsorption of main biomolecules and polycyclic aromatic hydrocarbons by artificial nanoparticles [D]. Qingdao: Ocean University of China, 2011.

[14] Garcia-Mouton C, Hidalgo A, Cruz A, et al. The lord of the lungs: The essential role of pulmonary surfactant upon inhalation of nanoparticles [J]. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2019, 144.

[15] Kendall M, Guntern J, Lockyer N P, et al. Urban PM2.5surface chemistry and interactions with bronchoalveolar lavage fluid [J]. Inhalation Toxicology, 2004,16(Suppl 1):115-129.

[16] Wang M, Li J, Dong S, et al. Silica nanoparticles induce lung inflammation in mice via ROS/PARP/TR/MIN signaling-mediated lysosome impairment and autophagy dysfunction [J]. Particle and Fibre Toxicology, 2020,17(1):1-22.

[17] Chen H W, Su S F, Chien C T, et al. Titanium dioxide nanoparticles induce emphysema–like lung injury in mice [J]. Faseb Journal Official Publication of the Federation of American Societies for Experimental Biology, 2006,20(13):2393-2395.

[18] Bernhard W, Mottaghian J, Gebert A, et al. Commercial versus native surfactants. Surface activity, molecular components, and the effect of calcium [J]. Am J Respir Crit Care Med, 2000,162(4):1524-1533.

[19] Zhao Q, Li Y J, Chai X L, et al. Interaction of pulmonary surfactant with silica and polycyclic aromatic hydrocarbons: Implications for respiratory health [J]. Chemosphere, 2019,222(MAY):603-610.

[20] Rachana R, Banerjee R. Effects of albumin and erythrocyte membranes on spread monolayers of lung surfactant lipids [J]. Colloids & Surfaces B Biointerfaces, 2006,50(1):9-17.

[21] 耿迎雪,李曼燾,曹 妍,等.苯并[a]蒽與肺表面活性劑混合磷脂的相互作用[J]. 中國環(huán)境科學(xué), 2020,41(7):3381-3389.

Geng Y X, Li M X, Cao Y, et al. Interaction of benzo [a] anthracene with mixed phospholipids of pulmonary surfactant [J]. China Environmental Science, 2020,41(7):3381-3389.

[22] Anna S K, Trojan S, Cwiklik L, et al. Modeling Lung Surfactant Interactions with Benzo[a]pyrene [J]. Chemistry – A European Journal, 2017,23(22):5037-5016.

[23] Seurynck-Servoss S L, Brown N J, Dohm M T, et al. Lipid composition greatly affects the in vitro surface activity of lung surfactant protein mimics [J]. Colloids & Surfaces B Biointerfaces, 2007,57(1):37-55.

[24] Padilla–Chavarría H I, Guizado T R, Pimentel A S. Molecular dynamics of dibenz[a,h]anthracene and its metabolite interacting with lung surfactant phospholipid bilayers [J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2015,17(32):20912–20922.

[25] Geng Y, Zhang L, Li Y, et al. Effect of pulmonary surfactant on the dispersion of carbon nanoparticles [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2021,629:9.

[26] Fan Q, Wang Y E, Zhao X, et al. Adverse Biophysical Effects of Hydroxyapatite Nanoparticles on Natural Pulmonary Surfactant [J]. Acs Nano, 2011,5(8):6410.

[27] Farnoud A M, Fiegel J. Low concentrations of negatively charged sub-micron particles alter the microstructure of DPPC at the air–water interface [J]. Colloids & Surfaces A Physicochemical & Engineering Aspects, 2012,415(6):320-327.

[28] Zhao Q, Li Y J, Chai X L, et al. Interaction of nano carbon particles and anthracene with pulmonary surfactant: The potential hazards of inhaled nanoparticles [J]. Chemosphere, 2019,215(JAN.):746-752.

[29] Hao C C, Li J H, Mu W N, et al. Adsorption behavior of magnetite nanoparticles into the DPPC model membranes [J]. Applied Surface Science, 2016,362:121-125.

[30] Guzmán E, Liggieri L, Santini E, et al. DPPC–DOPC Langmuir monolayers modified by hydrophilic silica nanoparticles: Phase behaviour, structure and rheology [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2012,413:174-183.

[31] Wiseman C, Zereini F. Characterizing metal(loid) solubility in airborne PM10, PM2.5and PM1in Frankfurt, Germany using simulated lung fluids [J]. Atmospheric Environment, 2014,89(6.):282-289.

[32] Krickl S, Touraud D, Kunz W, Investigation of ethanolamine stabilized natural rubber latex from Taraxacum kok-saghyz and from Hevea brasiliensis using zeta-potential and dynamic light scattering measurements [J]. Industrial Crops and Products, 2017,103:169-174.

[33] Levard C, Mitra S, Yang T, et al. Effect of Chloride on the Dissolution Rate of Silver Nanoparticles and Toxicity to Ecoli [J]. Environmental Science & Technology, 2013,47(11):5738-5745.

Effect of nano-particles on interfacial chemical properties of pulmonary surfactant.

LIU Dan, LI Jie, CAO Yan, GENG Ying-xue, CHAI Xiao-long, JIANG Fan-shu, SHI Wei-meng, ZHAO Qun*, TIAN Sen-lin*

(Faculty of Environmental Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)., 2022,42(5)：2379～2386

Nano-particles (NPs) such as nano-silica, nano-carbon powder, nano-zinc oxide, nano-cerium oxide, nano-silicon carbide and nano-iron tetroxide were used as representatives to study their effects on the interface properties of pulmonary surfactant (PS). The results shown that NPs had adsorption effects on both phospholipid and protein components in PS, and nano-silica and nano-ferric tetroxide had the strongest adsorption capacity for phospholipid and protein components, respectively, with adsorption rates of 89.3% and 82.5%. The existence of NPs would lead to the increase of the surface tension of PS solution, among which the effect of nano-silica was the most significant. Particles such as nano-silicon carbide and nano-silicon dioxide can cause the inward shrinkage/outward expansion of the π-A isotherm of the PS film, and the higher the particle concentration, the more obvious the surface pressure change. In addition, PS also had an effect on the hydration kinetic diameter and Zeta potential of NPs, resulting in the change of its dispersion state. It can be seen that NPs can change the composition and interface of PS by changing the composition and interface of PS.

nanoparticles；pulmonary surfactant；interfacial chemical properties；adsorption；lung health

X503.1

A

10000-6923(2022)05-2379-08

劉 丹(1995-),女,云南昆明人,昆明理工大學(xué)碩士研究生,主要從事大氣污染與人體健康方向的研究.

2021-10-25

云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(202101AT070129,201001AU 070038);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21777064)

* 責(zé)任作者, 趙 群, 講師, zq441206@163.com; 田森林, 教授, tiansenlin@outlook.com