张强: 单壁碳纳米角引发巨噬细胞中蛋白质导致细胞焦亡/凋亡提高纳米管的生物相容性

xihongshi

单壁碳纳米角(SNH)是一种新型的纳米碳子，由于其独特的形态和结构而受到越来越多的关注。单个纳米角由一个直径为2- 5nm、长度为40 - 80nm的由sp2键结合的碳原子组成。由于原子排列的相似性，碳纳米管是SNH最接近的结构模拟。实际上，SNH继承了碳纳米管(CNT)的物理化学特征，在能量转换、化学工程、催化剂、燃料电池和电子应用等方面具有很大的潜力。SNH由于其结构特点，在合成过程中没有使用金属催化剂，在室温下可以大量生产，在生物医学应用中可能比CNT更具有优势。目前，SNH已被广泛报道为一个多功能的药物传递平台，在体内的光声成像、光热疗法等方面。然而，关于SNH的纳米安全性和生物相容性的研究还非常缺乏，更不用说它的分子机制了。另一方面，SNH与CNT的形态学差异很大。对于空心CNT来说，长宽比是影响其纳米毒性的关键因素，而由于球形结构，SNH在三维立体上近似各向同性。因此，从纳米毒性和原理上对这两种碳纳米管进行比较是非常必要的。

近日，北京大学的张强教授等报道了在细胞和分子水平的纳米毒性和机制中SNH与CNT之间的差异，从而绘制出由这两种纳米碳化物引起的细胞死亡的全貌。用巨噬细胞作为细胞模型进行研究。将SNH与四种纳米管相比较，包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管(MNT)。首次发现SNH和CNT在细胞摄取、碳管纳米诱导的细胞凋亡、坏死、焦亡、细胞因子分泌和蛋白表达、水解酶泄漏、溶酶体应激、膜干扰、与膜蛋白相互作用等多方面存在差异。重要的是，通过多种方法证明SNH比CNT具有更好的安全性和生物相容性。基于蛋白质组学和其他研究，一种关键的跨膜蛋白—糖蛋白非转移性黑色素瘤蛋白B (GPNMB)被发现可以启动纳米毒性。与CNT组相比，SNH组中较弱的纳米-GPNMB的相互作用导致纳米膜相互作用的程度降低，溶酶体应激、细胞焦亡/细胞凋亡，最终导致巨噬细胞的低毒性，而坏死性凋亡、铁死亡、自噬和线粒体渗透性转移(MPT)依赖性坏死的参与基本被排除。研究成果以题为“Single-walled carbon-nanohorns improve biocompatibility over nanotubes by triggering less protein-initiated pyroptosis and apoptosis in macrophages”发布在国际著名期刊Nat. Commun.上。