王 靜，梁 偉

中國科學院生物物理研究所，生物大分子國家重點實驗室，蛋白與多肽藥物實驗室，北京 100101

納米材料影響細胞結構與功能的研究進展

王 靜，梁 偉

中國科學院生物物理研究所，生物大分子國家重點實驗室，蛋白與多肽藥物實驗室，北京 100101

隨著納米技術的飛速發(fā)展，納米材料為改善人們的生活方式展示了誘人的前景，與此同時，人們也逐漸為納米材料潛在的危害性感到擔憂。納米材料對細胞結構和功能的影響決定了該材料的細胞毒性與應用價值。遺憾的是人們往往將研究重點放在細胞對納米材料的攝取和代謝過程，而忽視了納米材料對細胞結構和功能的影響。本文綜合近幾年的研究報道，簡要敘述納米材料對細胞膜、細胞骨架和細胞核結構，以及細胞某些重要生理功能的影響，包括細胞凋亡與自噬、干細胞生長與分化、腫瘤細胞粘附與轉移和神經(jīng)細胞信號轉導。

納米材料；細胞膜；細胞骨架；基因毒性；細胞功能

0 引 言

納米材料的研究與應用，近10年來取得了飛速發(fā)展，相關的文章與專利數(shù)目幾乎呈指數(shù)增長趨勢。大量有開發(fā)前景的新型納米材料脫穎而出，許多納米材料組裝體也已經(jīng)廣泛應用于各個領域[1]。隨著研究的深入與應用的推廣，納米材料的生物安全性與應用廣泛性越來越受到人們的關注。納米材料對細胞結構和功能影響的基礎研究是闡明其安全性和指導其應用性的必要前提條件。綜合相關的國內外研究進展，本文將簡要闡述部分有機和無機納米材料對細胞膜、細胞骨架和細胞核等亞細胞結構，以及細胞死亡、生長分化、粘附轉移和信號轉導等細胞功能的影響。

1 納米材料對細胞結構的影響

1.1 細胞膜

細胞膜不僅是細胞的首要防御屏障，也是細胞與環(huán)境之間進行物質交換和信息交流的巨大平臺。納米材料與細胞作用的第一環(huán)節(jié)就是細胞膜，其中包括膜脂與膜蛋白。

1.1.1 膜脂

磷脂雙層膜組成細胞的結構邊界，維持細胞的完整性與內部環(huán)境的穩(wěn)定性。脂質在細胞膜表面存在凝膠相與流動相兩種相區(qū)。納米材料與細胞膜接觸時產(chǎn)生一定的壓力，可能誘導膜脂發(fā)生相變。Wang等人[2]采用熒光共振能量轉移和等溫滴定微量熱技術觀察到，20 nm的帶電聚苯乙烯納米粒與脂質體非特異性吸附后，脂質體在接觸點發(fā)生相變。磷脂膜相變的發(fā)生與納米粒的表面電荷有關，與磷脂的種類和納米粒的大小無關。帶負電的納米粒誘導磷脂膜由流動相轉變?yōu)槟z相，帶正電的納米粒則誘導凝膠相轉變?yōu)榱鲃酉?。Nature Nanotechnology對該文章在納米研究領域的創(chuàng)新性工作給予了高度評價[3]。納米材料除了誘導脂膜發(fā)生相變外，還會“刺穿”磷脂雙層膜。Roiter等人[4]采用原子力顯微鏡技術觀察到，二豆蔻酰磷脂酰膽堿膜與1.2～22 nm的硅納米粒作用后會形成孔洞。該作用具有一定的尺寸效應，＜1.2 nm或＞22 nm的硅納米粒對脂膜無影響，原因在于不同粒徑的硅納米粒與脂膜接觸產(chǎn)生的變形壓力不同，只有脂膜的曲率超過一定臨界值才會形成孔洞。除無機材料外，部分有機納米材料同樣誘導膜穿孔。Leroueil等人[5]報道了陽離子有機納米?！按檀比斯つづc細胞膜的現(xiàn)象，膜孔洞的大小同樣與納米粒的尺寸有關。除了尺寸，電荷與表面修飾同樣影響納米粒與細胞膜的作用。Arvizo等人[6]報道只有正電性的納米金能夠引起細胞膜發(fā)生去極化進而增加細胞內鈣離子濃度。負電性、中性和兩性的納米金均無此效果。此外，Verma等人[7]比較了具有相同化學基團修飾但是不同分子排列程度的兩種納米金后發(fā)現(xiàn)，表面修飾有序排列的納米金能夠在不引起膜損傷的前提下跨過細胞膜進入細胞質，而修飾無序排列的納米金則需要經(jīng)過胞吞途徑進入細胞，最終累積在內吞體內。

1.1.2 膜蛋白

膜蛋白種類繁多，是物質跨膜運輸與細胞表面信號傳遞的主要承擔者。依據(jù)作用機制的差異，膜蛋白大致可以分為三類：離子通道、載體蛋白和受體蛋白。

1.1.2.1 離子通道

離子通道選擇性轉運某一類或某幾類離子以維持胞內離子強度與膜電位，例如鉀離子通道、鈉離子通道和鈣離子通道。2003年，Park等人[8]報道碳納米材料抑制鉀離子通道的功能，這種抑制作用與碳納米材料的形狀、粒徑和鉀離子通道的種類密切相關，并且是可逆的。作者比較了三種碳納米材料：0.72 nm的球形富勒烯、直徑1～10 nm的單層碳納米管、直徑10～15 nm的多層碳納米管。從形狀考慮，球形富勒烯對鉀離子通道的阻塞作用是單層碳納米管的2～3倍，較粗的多層碳納米管則無阻塞作用；從粒徑考慮，細的單層碳納米管阻塞作用更強；從鉀離子通道種類考慮，不同亞型的鉀離子通道受阻塞的程度是不一樣的。鉀離子通道蛋白的三維結構和碳納米材料的計算模擬顯示，碳納米材料物理性堵塞鉀離子通道的“口”，使得鉀離子無法正常進出細胞。這種阻塞作用類似于瓶塞堵住瓶口，瓶塞與瓶口的匹配程度決定了阻塞的程度，例如，0.72 nm的富勒烯與鉀離子通道的“口”完全吻合，因此阻塞作用最強。與以上觀點不同的是，Xu等人[9]報道直徑40～50 nm的、羧基修飾的多壁碳納米管仍然可以阻塞PC12細胞表面的鉀離子通道，瞬間外向、延遲整流和內向整流三種類型的鉀電流都受到不可逆的抑制作用。二者實驗結果的不同，可能是納米材料理化性質和細胞系的差異造成的。除了物理阻塞外，某些納米材料能誘導細胞產(chǎn)生氧化壓力，導致某些離子通道的結構和功能發(fā)生改變。不同類型的離子通道對氧化壓力的敏感程度不一樣。CdSe量子點造成的氧化壓力激活N型鈣離子通道與電壓門控鈉離子通道，介導胞外鈣大量流入，胞內鈣離子濃度迅速提高；L型與T型鈣離子通道和鉀離子通道卻無明顯變化[10,11]。納米銀改變電壓門控鈉通道的電生理性質，電壓刺激產(chǎn)生的鈉電流幅度降低，電壓曲線的超極化發(fā)生位移[12]。

1.1.2.2 載體蛋白

載體蛋白是通過構象改變介導某些特定分子跨膜運輸?shù)牧硪淮箢惖鞍?，包括多藥耐藥蛋白Pgp、葡萄糖轉運體、膽堿轉運體和硫胺轉運體等。多藥耐藥蛋白Pgp介導許多小分子抗癌藥物的泵出，降低胞內藥物有效濃度進而導致化療失敗。2009年，Dong等人[13]首次報道了納米粒抑制Pgp蛋白活性的分子機制。含表面活性劑Brij78的空白脂質納米粒在遠低于CMC(critical micell concentration)的濃度下能夠降低胞內ATP至初始水平的80%，從而抑制ATP依賴的Pgp蛋白活性。體外細胞毒實驗表明，該納米粒裝載阿霉素或紫杉醇等小分子抗癌藥物后，藥物在Pgp高表達的人黑色素瘤細胞上的IC50值分別降至游離藥物的1/8和1/9，此療效在荷瘤動物模型上也得到進一步證實。除了多藥耐藥蛋白以外，載體蛋白還是許多基本營養(yǎng)因子的轉運體，如葡萄糖、氨基酸、膽堿等。鑒于血腦屏障高表達某些營養(yǎng)因子轉運體，這些載體蛋白常常作為藥物輸送入腦的靶點以克服血腦屏障的阻礙作用[14]。腦部糖消耗量約占人體糖總消耗量的30%，葡萄糖轉運體GLUT1在大腦毛細管內腔和脈絡叢表面高表達，因此GLUT1是藥物透過血腦屏障的重要靶點之一。Umezawa等人[15]在上世紀80年代就成功將表面連接GLUT1底物甘露糖的脂質體輸送至小鼠腦部。Dufes等人[16]將具有重要功能的神經(jīng)肽段包被到棕櫚酰氨基葡萄糖組成的納米粒中，不僅解決了神經(jīng)肽段容易水解失效的缺點，而且通過靶向GLUT1，使得藥物在腦內的滯留量提高了58%。膽堿轉運體是另一類營養(yǎng)因子轉運體，負責磷脂酰膽堿的攝取，在某些腫瘤和內皮細胞中高表達。Fenart等人[17]在麥芽糖糊精納米粒表面包被磷脂酰膽堿后發(fā)現(xiàn)，有包被的納米粒透過內皮單層細胞的速率是未包被納米粒的3～4倍。水溶性的硫胺是細胞生長發(fā)育所需的基本微量營養(yǎng)物質，因此硫胺轉運體也常常作為藥物透過血腦屏障的靶點。硫胺配體與血腦屏障的硫胺轉運體結合后，可以通過轉運體的主動運輸和后續(xù)的被動擴散提高細胞對納米粒的攝取，Lockman等人[18]發(fā)現(xiàn)硫胺配體修飾的納米粒在大腦中的滯留量提高了2倍。

1.1.2.3 受體蛋白

受體蛋白結合特異的配體后，通過信號級聯(lián)傳導啟動下游生物學效應。Dobrovolskaia與Mcneil在2007年的一篇綜述性文章中總結歸納了納米材料被巨噬細胞吞噬引起免疫反應的規(guī)律?！?0 nm甘露糖包被的納米乳膠、～130 nm甘露糖-殼聚糖納米粒以及～200 nm的葡萄糖-甘露聚糖顆粒，通過甘露糖受體途徑被巨噬細胞吞噬；20、50和100 nm的脂質納米粒通過補體受體途徑被吞噬；富勒烯衍生物通過Fcγ受體途徑被吞噬。以上三種途徑都會誘導巨噬細胞發(fā)生免疫反應，釋放促炎因子。如果納米粒通過清道夫受體這一經(jīng)典途徑進入巨噬細胞則不會刺激細胞產(chǎn)生促炎因子，例如10～20 nm的超順磁氧化鐵納米粒和～35 nm的膠體金納米粒[19]。為了實現(xiàn)載藥納米材料的主動運輸，人們在納米材料表面嘗試連接各種配體。以腫瘤靶向治療為例，Byrne等人[20]在綜述中將配體分為兩大類。一類與抗血管生成相關，包括血管內皮生長因子、整合素、內皮細胞粘附因子和基質金屬蛋白酶等；另一類與抑制腫瘤細胞增殖相關，包括內皮生長因子、轉鐵蛋白和葉酸等。選擇的受體靶點往往在腫瘤部位特異高表達，而修飾的配體則需要具有不引發(fā)炎癥反應、在體內穩(wěn)定存在、與受體結合的效率和特異性高等特點。

1.2 細胞骨架

細胞骨架不僅維持細胞形態(tài)，保持細胞內部結構的有序性，而且參與許多重要的生命活動，例如腫瘤細胞的粘附轉移、神經(jīng)細胞的信號轉導等。近年來人們逐漸發(fā)現(xiàn)，某些納米材料會破壞細胞骨架的有序結構進而對細胞功能造成一定影響。Huang等人[21]發(fā)現(xiàn)，長棒形單分散介孔碳納米管破壞A375黑素瘤的細胞骨架，使得微絲斷裂成無序狀而在細胞膜附近皺縮，圓形和短棒形納米棒無此影響。作者認為該形狀因素造成的微絲破壞差異可能與納米材料的攝取量相關，長棒形碳納米管被細胞攝取的最多，因此對細胞骨架造成的破壞最嚴重。隨著細胞骨架結構的破壞，腫瘤細胞的部分功能也受到影響。生化實驗證實，細胞粘附蛋白表達下調，轉移能力也有一定降低，由此可見，細胞骨架對腫瘤細胞的粘附與轉移的重要貢獻。PisanicⅡ等人[22]在神經(jīng)細胞上同樣發(fā)現(xiàn)納米材料對細胞骨架的破壞作用。非常低濃度的Fe2O3納米粒就可以造成PC12神經(jīng)細胞胞體內微絲數(shù)目下降，隨著濃度的提高，伸展至突觸的微管也幾乎全部消失。神經(jīng)細胞細胞骨架受損造成的后果是細胞對神經(jīng)生長因子等生化刺激的應答能力降低。

1.3 細胞核

細胞核作為遺傳物質的存儲地，是細胞最重要的“心臟”，調控細胞的一切生命活動。隨著納米材料亞細胞毒性研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)，在不引起細胞死亡的前提下，納米材料可以引起細胞核發(fā)生染色體斷裂、DNA鏈破壞、點突變等一系列變化，誘導細胞癌變或者影響遺傳穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象被定義為基因毒性（genetoxicity）[23]。目前已發(fā)現(xiàn)許多納米材料具有基因毒性，例如TiO2納米粒、納米金、富勒烯等。納米材料造成DNA損傷分為直接作用與間接作用。直接作用即納米材料穿過細胞膜與核膜到達細胞核，直接與DNA或者核蛋白作用造成損傷。Nabiev等人[24]報道量子點可以通過核孔進入細胞核，誘導核蛋白聚集，抑制基因轉錄和細胞增殖。有些納米材料雖然在正常情況下無法進入細胞核，卻可以在生殖細胞減數(shù)分裂過程中核膜消失時與DNA接觸造成損傷。間接作用則是納米材料通過細胞的氧化壓力、炎癥反應或DNA修復異常等方式造成DNA損傷。某些納米材料釋放過渡金屬離子，將胞內的氧轉化成具有強氧化能力的活性氧基團ROS（reactive oxygen species）。細胞核內的DNA與蛋白等生物大分子被氧化，DNA斷裂或橫向耦合，堿基被修飾。Liu等人[25]發(fā)現(xiàn)TiO2納米粒在細胞內的分布與ROS產(chǎn)生的部位一致。Trouiller等人[26]也通過一系列實驗證實TiO2納米粒通過氧化壓力在體外和體內造成DNA損傷。隨著氧化壓力的累積和升級，MAPK和NF-kB等信號通路被激活，促炎因子釋放，細胞發(fā)生炎癥反應。炎癥一方面加劇DNA損傷，使得染色體斷裂，點突變發(fā)生，DNA附加物形成；另一方面抑制DNA修復，誘導堿基被異常甲基化，改變基因的正常表達。許多金屬氧化物納米粒都可以在血管內皮細胞誘發(fā)炎癥[27]。DNA損傷會激活DNA修復來避免更嚴重的周期阻滯或細胞凋亡發(fā)生。DNA修復是細胞確?；蛲暾图毎婊畹闹匾蛩?。在修復過程中，p53蛋白最先應答進而啟動一系列調節(jié)DNA修復相關基因的轉錄和表達。如果DNA修復過程受到干擾，細胞會發(fā)生癌變或死亡。Li等人[28]報道納米金直接或間接與DNA作用后，通過干擾基因組的穩(wěn)定性下調一系列DNA修復基因，最終導致細胞死亡。

2 納米材料對細胞功能的影響

2.1 細胞的凋亡與自噬

凋亡（apoptosis）與自噬（autophagy）是細胞程序性死亡的兩種方式。凋亡是細胞接收胞內外信號進行有序死亡、最終形成凋亡小體的過程。自噬是細胞內形成的自噬泡與溶酶體融合，降解胞內破損的大分子或細胞器的過程。正常程度的自噬是細胞自我保護的一種方式，過度的自噬則引起細胞死亡[29]。

關于納米材料誘導細胞凋亡的主流觀點是，納米材料在線粒體累積，誘導ROS的生成，產(chǎn)生氧化壓力，啟動凋亡信號。根據(jù)蛋白質組學與基因組學的研究，細胞的氧化壓力由低到高可分為三個階段。第一階段，細胞通過Nrf-2蛋白激活抗氧化酶進行自我防御；第二階段，細胞激活MAPK與NF-kB級聯(lián)反應，釋放炎癥因子，發(fā)生炎癥反應；第三階段，線粒體發(fā)生膜穿孔、呼吸鏈破壞、膜電位降低等變化，細胞核DNA損傷，細胞走向凋亡[30]。據(jù)報道，銀包被的納米金、富勒烯、嵌段共聚物膠束和碳納米管等都通過該機制誘導細胞凋亡[31]。細胞凋亡有不同的信號通路，納米材料由于理化性質不同，所選擇的凋亡途徑也有所差異。Zhao等人[32]報道TiO2通過激活caspase-8/Bid和線粒體通路誘導凋亡，而Choi等人[33]報道量子點通過上調Fas和脂質過氧化誘導凋亡。另一種觀點認為某些納米材料不產(chǎn)生氧化壓力依然可以誘導細胞凋亡。Frohlich[34]觀察到20 nm的羧基聚苯乙烯納米粒不在線粒體累積，不產(chǎn)生ROS，卻依然能夠誘導細胞通過caspase途徑凋亡。

隨著研究的深入，人們在近幾年來逐漸發(fā)現(xiàn)某些納米材料可以引起細胞自噬。Wen小組先后發(fā)現(xiàn)納米氧化釹[35]、富勒烯納米晶體[36]和多種稀土金屬氧化物納米晶體[37]都可以誘導腫瘤細胞發(fā)生自噬型死亡，并且提出借助特殊納米材料誘導細胞自噬輔助抗癌藥物進行腫瘤治療的可能性。此外，Li等[38]發(fā)現(xiàn)PAMAM枝狀物可以通過抑制Akt-TSC2-mTOR通路促進細胞自噬死亡。Stern等人[39]的研究也表明，兩種不同核心的量子點均能夠誘導豬腎臟細胞發(fā)生自噬，并提出引發(fā)細胞自噬可能是某些納米材料的共性。

無論通過哪種方式誘導細胞死亡，納米材料的大小與表面化學性質都是決定細胞毒性的重要因素。納米材料粒徑小則表面積大，表面活性強，細胞毒作用往往也更大。例如，20 nm的羧基聚苯乙烯納米粒誘導凋亡發(fā)生，40～200 nm的納米粒卻沒有細胞毒作用[40]。表面化學性質是決定細胞毒性的另一要素，表面化學活性高的納米材料與細胞相互作用后可能產(chǎn)生ROS和氧化壓力。在這種情況下，如果對納米材料進行表面修飾，細胞毒作用可能大大降低。例如，水溶性單分散的富勒烯誘導細胞生成超氧離子，產(chǎn)生脂質過氧化損傷細胞，當表面連接丙二酰基團后，該納米粒不僅毒性大大降低，而且具有一定的抗氧化性[41]。

2.2 干細胞生長與分化

干細胞是一類具有自我更新能力的多潛能細胞，在一定條件下可以誘導分化成多種功能細胞。具有生物相容性的納米材料可以模擬體內細胞生長環(huán)境，不僅為干細胞提供支持平臺，而且參與調控干細胞的生長與定向分化。普遍作為研究對象的間質干細胞MSC（mesenchymal stem cell）是一類來源于骨髓、具有多元性分化潛能的非造血干細胞，通過誘導可以定向分化為神經(jīng)細胞、造骨細胞、肝細胞、成纖維細胞和脂肪細胞等。在造骨誘導因子作用下，MSC在PLGA納米纖維[42]、PCL納米纖維[43]或多肽兩親分子自組裝形成的納米纖維[44]所組成的三維網(wǎng)狀骨架上，不僅加快生長而且更容易分化成造骨細胞。在神經(jīng)誘導因子作用下，MSC在直徑230 nm的PLCL/Coll納米纖維狀支架上與在直徑620 nm的PLCL支架上相比，細胞生長加快80%，并且只有230 nm的PLCL/Coll支架上出現(xiàn)神經(jīng)樣細胞[45]，這說明納米材料對細胞定向分化的影響具有一定的尺寸效應。納米材料不僅能在特異誘導因子作用下影響MSC的分化，有些甚至可以自身作為誘導因子促使MSC定向分化。Oh等人[46]觀察到在無造骨誘導因子的情況下，TiO2納米管可以調節(jié)人的MSC分化為造骨細胞，且也有一定的尺寸效應，直徑30 nm的TiO2納米管促進細胞粘附卻不誘導分化；直徑70～100 nm的TiO2納米管降低了細胞的粘附性卻誘導細胞延伸10倍，并且最終分化為造骨細胞。對于以上報道，Mark等人提出了質疑，他們認為，如果考慮整合素的聚集和粘著斑的形成對MSC生長分化的影響，TiO2納米管的尺寸效應與Oh等人得到的結果應該是相反的，直徑小的納米管應該更利于MSC的生長分化[47]。Park等人觀察到直徑15 nm的TiO2納米管最有利于整合素的聚集，大鼠MSC的粘附、生長、遷移和分化為造骨細胞的能力最強，直徑為70～100 nm的納米粒誘導MSC定向分化的能力則顯著降低[48]。Arnold等人[49]也觀察到直徑＜8 nm的多肽包被的納米金促進斑狀粘附形成和細胞伸展的能力最強，直徑＞73 nm的納米粒幾乎無此作用?？紤]到材料制備方法的差別和其他未知因素的潛在干擾，上述爭議需要進一步研究探討。

2.3腫瘤細胞粘附與遷移

轉移是惡性腫瘤的標志，同時也是腫瘤患者高死亡率的主要原因，約90%的腫瘤患者死于腫瘤轉移[50]。腫瘤轉移的大致過程是原發(fā)灶腫瘤細胞侵襲基底膜進入血管或淋巴管，逃避免疫監(jiān)視進行游走，最終粘附并且穿透脈管，內皮細胞增殖形成轉移灶[51]。細胞的粘附與遷移能力決定了腫瘤轉移的效率。納米材料作為輸送載體，可以裝載各種藥物，連接不同的配體，定點有效地到達腫瘤部位，抑制腫瘤細胞的生長、粘附和轉移[52]。鑒于多數(shù)腫瘤細胞MAPK信號通路激活程度高，Basu等人[53]在載有順鉑的PLGA納米粒表面連接MAPK通路的特異性抑制劑，考察對B16/F10腫瘤的抑制作用。體外實驗表明，順鉑納米粒的細胞毒作用是游離順鉑的6倍，體內實驗進一步證實順鉑納米粒的抗腫瘤效果顯著提高。此外，Nen等人[54]發(fā)現(xiàn)Fe2O3納米粒破壞細胞骨架的伸展，降低斑狀粘附激酶的活性，進而抑制血管內皮細胞的粘附和遷移能力。最近，Veiseh等人[55]針對載藥納米材料抑制腫瘤轉移的研究取得了一定進展。具有高轉移性的C6神經(jīng)膠質瘤細胞通過分泌基質金屬蛋白酶MMP-2降解胞外基質促進轉移，與MMP-2特異結合的配體是一段由36個殘基組成的多肽。作者在Fe2O3納米粒表面連接該肽段并將其PEG化進行保護，制備成特異抑制腫瘤轉移的載藥納米粒。這種多肽偶聯(lián)的納米粒與游離多肽相比，不僅細胞內滯留量增加，抑制腫瘤細胞遷移的能力也大大增強。

2.4 神經(jīng)細胞信號轉導

神經(jīng)細胞又稱為神經(jīng)元，由胞體和突觸兩部分組成，通過接收、整合、傳導和輸出信息，實現(xiàn)神經(jīng)細胞之間的信息交換。許多實驗表明，具有良好生物相容性的碳納米管可以促進神經(jīng)細胞的信號轉導。Cellot等人[56]比較了碳納米管表面與玻璃表面生長的神經(jīng)細胞接收電流脈沖后產(chǎn)生的動作電位，發(fā)現(xiàn)前者的后去極化大大增強。這種效應在與碳納米管具有相似特征的傳導性物質 (如氧化錫或非傳導性物質)表面均沒有出現(xiàn)，說明碳納米管對神經(jīng)細胞的作用具有特異性。Mazzatenta等人[32]也發(fā)現(xiàn)電刺激信號能夠通過單層碳納米管傳遞至神經(jīng)細胞表面并且加強細胞的應答。Keefer等人[57]用碳納米管修飾電極表面，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細胞的電刺激與應答信號都有增強。關于碳納米管促進神經(jīng)細胞信號轉導的機制目前有兩種觀點，一種認為神經(jīng)細胞與碳納米管之間形成緊密接觸，導致神經(jīng)細胞電生理活性提高[58,59]；另一種觀點則認為碳納米管通過改變胞體與突觸的結構使其去極化增強[60]。

3 總結與討論

納米材料與細胞相互作用是一個復雜的生物學過程，一方面納米材料被細胞攝取、代謝和降解，另一方面細胞的結構和功能也受到納米材料的影響。目前，關于納米材料對細胞結構與功能影響的研究還處于起步階段，并且未引起大家的足夠重視。關于納米材料作用于細胞的基礎研究，將對考察材料的生物安全性、合理地設計和優(yōu)化納米材料組裝體有著非常重要的指導意義。本文綜合了近年來納米材料與細胞相互作用的研究進展，得到以下結論：

1)納米材料影響細胞膜、細胞骨架和細胞核等亞細胞結構。細胞膜脂雙層與納米材料接觸后，物理性質發(fā)生改變，其穩(wěn)定性與完整性受到破壞；納米材料選擇性激活或阻塞某些膜表面通道蛋白，接上配體后特異性結合細胞膜表面的受體或載體蛋白，進而啟動不同的細胞應答；納米材料破壞細胞骨架的有序結構，進而影響細胞骨架參與的某些生命活動；納米材料與細胞核內大分子直接或間接作用，造成一系列DNA損傷，定義為“基因毒性”。

2)納米材料影響細胞的某些重要生理功能。納米材料通過凋亡或者自噬引起細胞程序性死亡；某些納米材料可促進或者自身誘導干細胞定向分化；裝載抗腫瘤藥物的納米材料連接某些配體后，能夠特異地抑制腫瘤細胞的增殖、粘附和遷移；碳納米管能夠特異地增強神經(jīng)細胞的電生理活性，促進信號轉導。

納米材料的形狀、大小、組成和表面性質等理化因素，在以上細胞生物學效應中起著非常重要的作用。在未來的工作中，我們不僅應該深入分析單個納米材料對細胞的特異作用，更應該總結歸納具有某些共性的納米材料對細胞所具有的普遍作用。

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This work was supported by grants from The Funding：National Nature Sciences Foundation of China(90606019,30901869),State Key Development Plan Project(2006CB933305),China-Finland Inter-Governmental S&T Cooperation(2008DFA01510)

Effects of Nanomaterials on Cellular Structure and Function

WANG Jing,LIANG Wei
Protein and Peptide Pharmaceutical Laboratory,National Laboratory of Biomacromolecules,Institute of Biophysics,Chinese Academy of Science,Beijing 100101,China

Jul 6,2010 Accepted：Aug 9,2010

LIANG Wei,Tel：+86(10)64889861,E-mail：weixx@sun5.ibp.ac.cn

As nanotechnology develops rapidly,nanomaterials present numerous advantages,meanwhile their potential toxicity gradually draw our attention and worries.The toxicity and values of nanomaterials are largely dependent on their effects on cellular structure and function.However,most research has focused on the cellular internalization and metabolism of nanomaterials and little attention was paid to their actions on cells.This review outlines current reports about the effects of nanomaterials on cellular structures of plasma membrane,cytoskeleton,nuclear and cellular functions,including apoptosis and autophagy,the growth and differentiation of stem cells,the adhesion and metastasis of cancer cells and the signal transduction of nerves.

Nanomaterial;Plasma membrane;Cytoskeleton;Genotoxicity;Cellular function

2010-07-06；接受日期：2010-08-09

自然科學基金重大研究計劃(90606019，30901869)，國家重大科學研究計劃(2006CB933305)，中-芬國際合作項目(2008DFA01510)

梁偉，電話：(0)64889861，E-mail：weixx@ibp.ac.cn

Q255,Q274