國家納米科學中心在納米材料生物效應研究方面取得新進展

近日，國家納米科學中心中國科學院納米生物效應與安全性重點實驗室陳春英研究組與納米材料研究室唐智勇研究組合作，在以秀麗線蟲為模型研究納米材料生物效應方面取得重要進展，研究結果發表在美國化學會的Nano Letters 雜誌上（2011, 11: 3174-3183）。

納米材料與生命體系相互作用及其健康效應問題，是納米科技領域的重要前沿科學問題。由於納米材料本身具有獨特的理化性質，傳統毒理學評價方法已不能滿足納米材料生物效應研究的需求，實驗中體內、體外結果不一致的矛盾日益凸顯，這就要求發展快速、簡單、準確的毒理學評價模型體系。而納米材料在複雜生物體系內可能發生的多種理化性質改變更為其後續毒理學研究帶來了巨大的挑戰，這就要求在方法學上有所突破創新。

秀麗線蟲（Caenorhabditis elegans）是生物學經典的模式生物，然而用於納米材料的生物效應研究還鮮有報導。本研究工作基於秀麗線蟲模型，從納米材料毒理學評價方法學的建立、應用和機理揭示等方面進行了具有開創意義的研究。值得一提的是：秀麗線蟲的優勢在於其既可以從生物個體水平進行研究，其體內的每個細胞又可單獨研究，便於從整體、器官、組織、細胞多層次對納米材料的體內行為進行研究。

本工作選擇了目前最具有應用前景的量子點（Quantum dots）作為代表性納米材料，研究了其在體內的分布、代謝、轉化和長期毒理效應。研究發現：量子點經攝食進入並積累在秀麗線蟲消化系統，進入消化道內皮細胞定位於溶酶體，長期蓄積會導致量子點從消化系統向生殖系統遷移，並導致生殖障礙和子代發育毒性。

基於同步輻射先進光源發展起來的多種元素高靈敏分析技術近年來已開始應用於納米材料的表徵、化學結構分析等領域，然而用於生物體系內原位的研究尚無報導。本工作創新性地將多種同步輻射技術，如X射線原位微區元素成像與化學結構分析技術應用於量子點材料在體內代謝與降解過程的研究，揭示了量子點在線蟲消化系統微環境內降解、氧化和代謝的過程，並指出了利用納米材料光學特性進行分布研究的不可靠性，提出了集成光學成像、原位元素成像與結構分析、細胞生物學、毒理學等多種方法來研究納米材料在生物體系內分布代謝等重要問題的系統研究方法。

該研究方法對於建立以秀麗線蟲為模式生物評價納米材料生物效應的研究平臺具有重要意義，並有望在後續研究中推廣應用於多種重要納米材料的研究，在不同層次闡明納米材料與生物體系相互作用的機制。 

本工作是陳春英研究組關於納米材料的生物效應與安全性系列研究工作的一部分。其他工作包括：不同納米材料特性如不同粒徑和表面電荷可影響細胞有絲分裂和細胞周期(Biomaterials, 2011,32: 8291-8303)；羧酸化富勒烯納米材料可定位於溶酶體，通過穩定溶酶體膜抑制細胞凋亡新機制(Biomaterials, 2011,32:4030-4041)；應邀撰寫金屬納米材料在生物體內的命運和生物應用，總結了目前在生物醫學領域具有應用前景的新型納米材料與納米結構在生物體內吸收、分布與代謝過程以及納米特性與體內毒性相關性的研究進展和發展趨勢。（Small 10.1002/smll.201101059）。

該系列研究成果不僅有助於人們進一步加深對不同納米材料與生物體系相互作用的機制與共性規律的理解，同時對合理設計和安全使用納米材料也具有參考價值。

上述工作得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助。

圖片說明：量子點在秀麗線蟲消化道內的降解過程。通過比較量子點螢光的光學圖像（optical Fluorescence）和量子點組成元素的X射線螢光圖像（μ-XRF）發現，位於消化道末端的量子點組成元素Se大量積累，而光學螢光淬滅，通過對不同部位的化學價態進行分析（X射線吸收譜，μ-XANES），發現量子點伴隨消化過程，結構不斷破壞，內核元素發生氧化，導致螢光淬滅，同時釋放有毒離子，導致毒性。

圖片說明：量子點從消化系統向生殖系統遷移積累並導致生殖障礙和子代毒性。短期暴露量子點從消化道向生殖系統遷移但不進入卵內；長期暴露後量子點大量積累於生殖系統並產生壞卵、死卵。模式圖顯示了量子點材料從消化系統向生殖系統遷移的過程。