纳米碳黑—金属复合物的联合呼吸毒性研究
孔华庭
学位类型博士
导师李迪
2017
学位授予单位中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
关键词碳黑 金属 联合 呼吸毒性 Dna纳米结构
摘要空气中的颗粒物(PM,particulate matter)是空气污染对人类健康造成威胁的主要成分。目前已有大量的研究证实了PM的毒性效应。但是,PM造成的毒性效应机制仍然没有得到完善的研究。由于粒径较小的PM在肺部的沉降和聚集速度更快,可以对人体健康产生更大的危害。因此目前对粒径较小的PM 2.5对人类健康的威胁研究更为广泛。这其中,PM 2.5与人为排放的金属之间的相互作用以及其毒性效应与人类健康尤为相关。PM 2.5和纳米颗粒相似,具有较大的比表面积,能够吸附空气中的多种污染物,从而造成与同样组分的颗粒完全不同的毒性效应。因此,我们认为,对具有亚微米尺度的纳米材料的研究是理解PM2.5毒性机制的良好途径。空气中的CBs(碳黑,carbon blacks)主要来自燃烧源产生的烟灰,属于纯碳元素颗粒。CBs被视为空气中细颗粒毒性研究的良好模型。本论文中,我们使用CBs和金属离子作为PM 2.5的模式材料,研究了CBs的细胞毒性以及CBs和金属离子体外和体内的协同毒性效应及机制,具体如下:(1)研究了不同大小(14,51和95 nm)的CBs对小鼠巨噬细胞RAW264.7细胞的细胞毒性效应。研究发现,CBs的细胞摄取以及细胞毒性呈剂量依赖性和尺寸依赖性效应。细胞摄取了大量的CBs,诱导细胞产生的氧化应激和核损伤,是CBs的细胞毒性的关键因素。(2)研究了CBs和不同金属元素的联合细胞毒性作用,发现CBs和金属元素对RAW264.7细胞和BEAS-2B细胞造成了协同细胞毒性。使用同步辐射X射线成像与分析技术,研究CBs和金属元素的吸附作用和CBs-金属复合物在细胞内的分布。研究发现CBs可以吸附并载带金属进入细胞,造成了细胞内金属元素浓度的升高,引起了毒性的增强。我们对CBs-金属复合物细胞毒性的生物学机制进行了研究,研究发现,CBs-金属复合物能够造成细胞自噬-溶酶体功能障碍,是CBs和金属协同细胞毒性的机制。(3)研究了CBs与金属离子在动物水平的联合呼吸毒性,发现CBs和金属离子造成了显著的协同呼吸毒性。对肺灌洗液(BAL)中的生化指标,以及血清和BAL中的炎性因子的分析结果显示,CBs-Ni2+复合物滴注则造成了显著的协同呼吸毒性。肺部的病理切片研究显示CBs-Ni2+复合物滴注引起了肺部大量的炎性细胞浸润,支气管肿胀,支气管壁增厚,支气管壁和肺泡壁充血水肿,肺泡壁增增厚,水肿。ICP-OES和同步辐射X射线荧光显微术(XRF)研究结果显示,CBs可以载带Ni2+进入肺部,造成肺部Ni元素含量急剧上升,同时对肺部的生命元素Ca也造成了影响。我们对CBs-金属复合物呼吸毒性的生物学机制进行了研究,研究发现,CBs-金属复合物能够造成肺部自噬-溶酶体功能障碍,是CBs和金属协同呼吸毒性的详细机制。(4)DNA纳米结构已经分子传感,分子计算,纳米机器以及诊断和治疗中广泛应用。DNA纳米结构和生命系统的相互作用以及他们的生物相容性是非常重要的问题,目前对DNA纳米结构的毒理学研究和理解仍然比较有限。在这一研究中,我们选择四面体DNA纳米结构(TDNs),最实用的DNA纳米结构之一,作为DNA纳米结构的代表。我们选择广泛用于生物医学研究的正常支气管上皮细胞(BEAS-2B细胞),癌细胞(HeLa细胞)和巨噬细胞(RAW264.7细胞)作为代表性的哺乳动物细胞模型。我们观察了TDNs与上述三种细胞系的不同摄取动态,通过细胞毒性测定,蛋白质表达测定,炎症和细胞凋亡监测以及细胞器功能检测展示了TDNs优秀的生物相容性。重要的是,我们发现TDN不改变细胞周期进程和细胞分裂。这一研究的发现将加深我们对DNA纳米结构与哺乳动物细胞的相互作用的理解,这将有助于更好地设计基于DNA纳米结构的生物探针和生物载体,以进一步应用于生物和生物医学领域。总之,在本论文中,我们研究了CBs的细胞毒性以及CBs与金属离子在细胞水平和动物水平的联合毒性效应。结果显示,CBs具有显著的尺寸依赖性细胞毒性。我们发现,CBs可以载带金属离子进入细胞和肺组织,引起显著的协同毒性效应。并且揭示了CBs和金属离子协同毒性的机制:自噬-溶酶体功能障碍。我们的结果为理解空气颗粒物的毒性以及对人类健康的影响提供了新的理解和资料。最后,我们对一种新型的DNA纳米结构,DNA四面体进行了细胞安全性评估,证明了DNA四面体的良好的细胞安全性,加深我们对DNA纳米结构与哺乳动物细胞的相互作用的理解,这将有助于更好地设计基于DNA纳米结构的生物探针和生物载体,以进一步应用于生物和生物医学领域。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/27526
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
孔华庭. 纳米碳黑—金属复合物的联合呼吸毒性研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2017.
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