纳米材料活细胞标记示踪及其生物毒性效应评估

摘要

纳米科学与生物科学、医学以及环境科学的相互交叉、深度融合催生了纳米生物医学和纳米生物安全研究。本文对纳米材料在活细胞内蛋白质标记成像和示踪中的应用进行了研究，同时用斑马鱼对其生物毒性效应进行了系统评估。主要研究内容如下：
　　 1.构建了基于核酸适配子的纳米生物探针并将其成功用于朊蛋白细胞内在化途径研究。将巯基修饰的核酸适配子偶联到金纳米粒子表面，制备得到细胞型朊蛋白特异性核酸适配子修饰的金纳米粒子光学探针，并将其成功应用到细胞表面朊蛋白的光散射成像和电子透射显微成像分析。通过对核酸适配子修饰的金纳米粒子探针进入细胞的途径及其在细胞内转运命运的进一步研究表明，窖蛋白介导的内吞作用可能是其进入细胞的一个重要途径。核酸适配子修饰的金纳米粒子探针制备简单、成本低廉，可能被广泛应用于生物医学成像领域。
　　 2.发展了一种基于核酸适配子修饰银纳米粒子的新型光学探针。本文将银纳米粒子作为发光元件，核酸适配子作为分子识别元件，构建了细胞内蛋白质的标记成像探针并应用于单颗纳米粒子光谱分析。银纳米粒子用链霉亲和素包被并用核酸适配子功能化后，在细胞培养中显示出良好的生物相容性和稳定性，可同时作为暗场光散射成像和透射电子显微成像的光学探针；不仅如此，银纳米颗粒的超灵敏单粒子散射光谱还可能被潜在的用于细胞内微环境分析。进一步研究表明，窖蛋白介导的内吞作用可能是银纳米探针标记的朊蛋白进入神经瘤母细胞的一个必要途径。核酸适配子修饰的银纳米探针可作为暗场光散射成像和透射电子显微成像的双料成像代理，且具有超灵敏的单粒子光谱，这些优良的性质使其在未来的生物医学成像和疾病探测上具有极大的应用潜质。
　　 3.提出了一种通用而简单的基于多功能核酸适配子介导的活细胞表面蛋白质纳米标记新策略。通过设计使核酸适配子成为综合了靶标识别功能和配体连接功能为一体的双功能代理，成功地实现了活细胞表面靶蛋白的特异性标记和示踪。该策略运用分步标记的方法，先用生物素化的核酸适配子去捕获细胞表面的靶蛋白，然后再用链霉亲和素修饰的纳米探针识别靶蛋白上的生物素，从而实现对活细胞表面靶蛋白的特异性标记。我们应用该标记方法不但实现了多种纳米探针对核仁蛋白的标记及多模式成像，而且还用量子点对朊蛋白在细胞内转运和动力学过程实施了成功的监测。该标记策略操作简单，避免了传统纳米探针复杂的修饰和分离步骤。更为重要的是，我们提出的这一标记策略是一种可通用的蛋白质标记方法。
　　 4.采用水环境暴露和显微注射相结合的方法，系统考察了纳米荧光量子点在斑马鱼体内外的分布情况和毒性效应。研究结果表明，多聚乙二醇修饰的量子点在胚胎卵膜和仔鱼体表的吸附能力弱，表面的电荷对其在卵膜上的吸附能力无明显影响；水环境中的羧基化量子点可在斑马鱼卵膜上大量吸附，也会在仔鱼的口咽腔、鳃、鳍条、排泄孔等部位聚集，并可通过仔鱼的吞咽作用进入消化道。高浓度的羧基化量子点在水环境中暴露会诱导胚胎的畸形发育，这些毒性效应可能是由金属镉的释放所致。心脏显微注射的羧基化量子点会随血液循环进入到斑马鱼的静脉系统，但很少会在内脏中残留，其主要分布于后大脑静脉、眶鼻静脉、心脏壁、腹腔壁、后主静脉、体节动脉及尾部动脉和静脉。羧基化量子点在注射后6天仍大量残存于静脉血管内，不被机体排除，显示出较高的生物吸附能力和体内残存量，具有较高的生物毒性风险。
　　 5.以斑马鱼为模式生物，对石墨烯和多壁碳纳米管的生物毒性效应进行了比较研究。石墨烯是一种新型的碳纳米材料，优良的物理化学性质使其在未来的光热传感、电子传导等领域极具发展潜力，但到目前为止却未见其生物毒性研究报道。研究结果表明，石墨烯的生物毒性较弱，在浓度为50mg/L才会引起明显的细胞生长抑制和轻微的斑马鱼胚胎孵化延迟效应，但不会导致胚胎内细胞凋亡的增加和严重的胚胎发育畸形。与之相比，多壁碳纳米管具有较强的生物毒性，在浓度为7.6mg/L就能明显抑制细胞生长；在浓度为50mg/L时，多壁碳纳米管会在斑马鱼胚胎卵膜表面大量吸附，导致胚胎内细胞凋亡数量明显增加，最终引起胚胎发育畸形。该研究结果提示，石墨烯和碳纳米管在一定条件下都表现出生物毒性效应。同时，石墨烯和多壁碳纳米管虽然具有相似的纳米形态结构，其生物毒性效应却差异较大，这可能是它们与生物体的作用方式和机制不同所致。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

第一节：纳米材料及其与生物系统的相互作用

1.1.1纳米材料及其生物效应

1.1.2纳米技术在生物医学中的应用

1.1.3纳米技术与生物环境安全

第二节 纳米材料在活细胞标记成像和疾病检测中的应用

1.2.1.量子点荧光标记成像和实时监测示踪

1.2.2金属纳米粒子生物标记成像和癌症探测治疗

1.2.3磁性纳米粒子用于生物分离检测和核磁共振成像

1.2.4单壁碳纳米管生物医学检测和成像应用

第三节 纳米材料生物负效应

1.3.1纳米材料水域生物毒性效应

1.3.2纳米材料生物毒性的评估方法

1.3.3纳米材料生物毒理机制

第四节 本文的选题依据及研究意义

1.4.1研究现状

1.4.2存在的问题和发展方向

1.4.3本文的选题思路

第二章 核酸适配子共轭金纳米粒子探针成像朊蛋白细胞内在化途径

第一节 前言

第二节 实验部分

2.2.1仪器设备

2.2.2实验试剂

2.2.3金纳米粒子制备与功能化修饰

2.2.4细胞培养及成像

第三节 结果与讨论

2.3.1金纳米粒子与核酸适配子的偶联与表征

2.3.2金纳米粒子探针标记和暗场光散射成像细胞上的朊蛋白

2.3.3金纳米探针标记的朊蛋白的细胞内在化途径分析

第四节 结论

第三章 核酸适配体修饰银纳米粒子用于蛋白标记成像和单颗粒光谱分析

第一节 前言

第二节 实验部分

3.2.1仪器设备

3.2.2实验试剂

3.2.3银纳米探针的制备和表征

3.2.4细胞培养和细胞毒理学测试

3.2.5扫描电镜和透射电镜成像

3.2.6暗场光散射成像和单纳米粒子光谱分析

第三节 结果与讨论

3.3.1银纳米探针的合成和表征

3.3.2银纳米探针的稳定性和生物相容性

3.3.3细胞内的蛋白标记成像和单颗粒光谱分析

3.3.4细胞内在化途径研究

第四节 结论

附图

第四章 核酸适配体介导的细胞表面蛋白质纳米标记新策略

第一节 前言

第二节 实验部分

4.2.1实验试剂

4.2.2实验仪器

4.2.3细胞培养和处理

4.2.4细胞器免疫荧光定位

4.2.5活细胞实时动态荧光成像和动力学监测

第三节 结果与讨论

4.3.1核酸适配体介导的纳米粒子特异性标记细胞表面蛋白

4.3.2双色标记成像

4.3.3细胞内的荧光共定位

4.3.4细胞内的动力学分析

第四节 结论

第五章 量子点在斑马鱼胚胎和仔鱼体内的分布和毒理效应

第一节 前言

第二节 实验部分

5.2.1仪器设备

5.2.2实验试剂

5.2.3斑马鱼胚胎获取和培养

5.2.4实验分组设计

5.2.5胚胎内细胞凋亡分析

第三节 结果与讨论

5.3.1不同表面修饰量子点在胚胎膜上的吸附及毒性效应

5.3.2浓度介导的羧基化量子点在胚胎上的吸附及其毒性效应

5.3.3羧基化量子点通过消化道进入在仔鱼体内

5.3.4量子点在仔鱼体内的代谢分布

第四节 结论

第六章 碳纳米管和石墨烯的生物毒性效应比较研究

第一节 前言

第二节 实验部分

6.2.1实验仪器和试剂

6.2.2细胞培养

6.2.3斑马鱼培养和暴露方案

6.2.4碳纳米材料的制备和配制

6.2.5 SEM成像

6.2.6 CKK-8细胞毒性检测

6.2.7胚胎内细胞凋亡分析

6.2.8数据统计和分析

第三节 结果与讨论

6.3.1石墨烯和多壁碳纳米管的制备与表征

6.3.2石墨烯和多壁碳纳米管对细胞生长抑制

6.3.3斑马鱼对碳纳米材料的吸附和分布

6.3.4斑马鱼胚胎孵化延迟及发育畸形

6.3.5胚胎内细胞凋亡检测

第四节 结论

第七章 全文总结及展望

第一节 全文总结

第二节 展望

7.2.1新型复多功能纳米光学探针及其成像分析

7.2.2活细胞内生物分子及分子事件的实时动态监测

7.2.3纳米材料对生物生殖和发育的影响

参考文献

已发表的论文

致谢