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同步辐射技术阐明银纳米颗粒生物安全性的化学机制
2016-02-19 12:00:00
 

  由于纳米银颗粒粒径小、比表面积大、易降解、化学活性强,具有良好的抗菌性能,被广泛应用于医用敷料、婴儿用品,以及冰箱、服装、食品包装的抗菌涂层。纳米银在环境及体液中易溶出有毒的银离子,可能给环境与健康带来威胁。基于此,2014年美国环保署勒令新泽西州一家塑料食品包装盒公司暂停含纳米银成分塑料包装盒的生产及销售。近年来,纳米银的安全性以及安全使用的剂量范围引起政府机构与公众的密切关注,其环境与健康效应成为国际学术界的研究热点。纳米银对人体的健康效应及其化学机制是研究的难点。为解决这些难题,需借助原位、动态、无损、高灵敏度的分析方法来研究生物转运过程中银的化学转化,探讨生物体银的化学信息与毒性的关联性。 

  最近,国家纳米科学中心陈春英课题组借助于同步辐射nanoCTX射线吸收光谱(XAFS)技术,在时间与空间水平上,首次将纳米颗粒的细胞转运与化学转化关联起来;并结合分子与细胞生物学证据,揭示了纳米银细胞毒性的化学机制。由于NanoCT具有高空间分辨、较强的元素分辨能力,能够实现单细胞内金属纳米颗粒的三维成像;结合透射电镜,可以观察到内吞、降解、外排过程中纳米银的三维分布,发现它们主要蓄积在细胞核周围的囊泡中;在降解过程中,细胞内纳米银的信号逐步降低。XAFS技术具有高灵敏的化学形态解析能力,能表征生物过程中细胞内银元素的化学形态转化;发现纳米银由单质转变为银硫键,后者是诱导细胞毒性的主要形式,导致细胞的氧化应激及线粒体凋亡途径。该研究中,同步辐射技术清晰地揭示细胞毒性产生过程中银的化学信息,为细胞毒性机制的研究提供确凿的科学证据;该研究也将为金属及其氧化物等纳米材料的毒理学研究提供新方法的借鉴。相关成果近期发表在美国化学会期刊ACS nano (ACS Nano 2015, 9, 6532-6547.), 本文第一作者为中科院纳米生物效应与安全性重点实验室的王黎明博士。 

  近期相关工作还发现银纳米颗粒在细胞内的摄入途径、降解和转化与其毒性的相关性。在较高浓度下,银纳米颗粒和银离子引起的DNA损伤和染色体畸变的程度并不相同,说明银纳米颗粒和银离子引起基因毒性的机制有所不同;同时,发现不同的细胞类型其摄入能力不同,应激信号通路响应与毒性反应的敏感程度差别较大 (Toxicology Letters 2013, 222: 55-63; Nanotoxicology 2015, 9(2): 181-189Biomaterials. 2015, 61, 307-315)。不同表面修饰可降低纳米银的体内蓄积,进而降低其毒性 (Nanotoxicology 2015, DOI: 10.3109/17435390.2015.1024295.)。这些工作将为纳米银颗粒在生物医学的安全应用提供参考。 

    该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、北京同步辐射装置、上海光源的大力支持。

. 用同步辐射技术阐明纳米银产生细胞毒性的化学机制


 
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