纳米二氧化钒和氧化石墨烯的水环境过程对其免疫毒性的影响

发布时间：2018-01-25 13:02

本文关键词： 原始态人工纳米材料水环境过程免疫毒性纳米二氧化钒氧化石墨烯　出处：《中国科学技术大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：人工纳米材料广泛应用的同时会对环境中的生命有机体产生风险效应。目前已有很多碳纳米材料及金属和金属氧化物纳米材料(诸如纳米银、纳米二氧化钛等)的生物学效应被报道。然而,这些报道几乎都是基于原始态的纳米材料的生物学效应,极少考虑到环境暴露(尤其是当纳米材料进入水环境中)对纳米材料赋存状态(物理化学性质)的影响及后续生物学效应的变化。很多研究已经表明纳米材料负面(毒性)效应的产生除与其尺寸效应相关,其表面电荷等物理化学特性对其毒性也有重要影响。所以,纳米材料在环境中赋存状态的变化很可能会导致其生物学效应的某种改变。因此,关注纳米材料进入环境(尤其是水环境),其赋存状态的变化而产生的生物学效应更具有实际研究意义。近几年,纳米材料对于免疫系统的毒性受到研究者越来越多的重视。免疫系统的职责是通过识别自我和非我,抵御外界侵染从而达到保护自己的目的。因此,纳米材料对免疫细胞和免疫系统造成的影响可以直接表明其对于有机生命体的周身稳态及在抵御外界入侵中的重要调控作用,而这些调控作用的起始和发展过程也将是未来研究的重要方向。在本论文相关的研究项目中,我们围绕上述两方面展开了相关研究。首先,我们研究了纳米二氧化钒的在水环境中的转化及其转化产物对巨噬细胞的影响。当发生相转换的时候,纳米二氧化钒(nano-vanadium dioxide简写为nano-VO2或nVO2)随之产生的热致变色及其它的物理化学特性变化使其广泛应用于电子、光学器件,以及智能窗的研发中。之前的研究人员对于含钒元素的离子和化合物的生物学效应有很多报道,但是研究者们并不了解纳米级的二氧化钒是否也有一些独特的生物学效应。通过短期细胞暴露,我们研究了纳米二氧化钒对哺乳动物细胞的毒性效应。研究发现,纳米二氧化钒在酸性的水环境中容易发生化学变化,产生更大的絮状的聚集颗粒；这种酸性水中转化产物会对巨噬细胞产生特异性的毒性效应；进一步的研究发现,该纳米二氧化钒的转化产物可导致细胞中钙流的发生及钙离子浓度的上升及后续线粒体膜通透的产生；此外,在对细胞系的短时程暴露期间(6到12小时),我们发现巨噬细胞的溶酶体功能受损并发生溶酶体膜通透。上述结果显示纳米二氧化钒在酸性水中的转化产物可通过导致溶酶体膜通透和钙流产生从而导致巨噬细胞迅速死亡。其次,我们开展了原始态石墨烯和其氧化衍生物氧化石墨烯对原代B细胞和浆细胞的免疫毒性研究。由于具有大量功能基团及良好的生物相容性,氧化石墨烯具有广泛的医学应用前景,已有很多研究显示,氧化石墨烯能够诱导多种免疫细胞的激活和影响免疫系统的调控过程。在此,我们研究了氧化石墨烯对B细胞和体液免疫的影响,并比较石墨烯和氧化石墨烯在这方面生物学效应中的差异。我们的研究发现,氧化石墨烯并不能对B细胞导致如同对巨噬细胞那样的急性毒性,但是它能够调控B细胞表型的变化,导致一些共刺激分子(诸如CD80、CD86,尤其是CD40)的上调；同时,经典的和非经典的抗原提呈分子的膜表达也受到影响；此外,在体外暴露实验中,我们对终末分化的免疫球蛋白分泌细胞——浆细胞进行研究发现,氧化石墨烯能导致浆细胞免疫球蛋白分泌减少并诱导更加严重的内质网应激产生,并提示这是由于免疫球蛋白阻滞于细胞内引起的。上述结果显示氧化石墨烯对原代B细胞和在体液免疫中具有重要地位的浆细胞都有影响。我们的研究结果从两个重要角度显示了人工纳米材料的物理化学性质对其负面生物学效应的重要性。
[Abstract]:The biological effects of nano - materials ( such as nano - silver , nano - titanium dioxide , etc . ) have been reported . However , these reports are almost based on the biological effects of nano - materials such as nano - silver and nano - titanium dioxide . In recent years , the toxicity of nano - materials to the immune system has been paid more and more attention by researchers . The responsibility of the immune system is to protect themselves by recognizing self - and non - ego . Therefore , the effects of nano - materials on immune cells and immune systems can directly indicate their important role in protecting the homeostasis of the organism and resisting external invasion , and the initiation and development of these regulatory effects will also be the important direction of future research . In the research project related to this paper , we have carried out the relevant research around the above two aspects . First , we studied the transformation of vanadium dioxide in water environment and its effect on macrophages . Nano - vanadium dioxide is widely used in the research and development of electron , optical devices and intelligent windows . The results show that the transformation products of nano - vanadium dioxide in acidic water can lead to the rapid death of macrophages by causing lysosomal membrane permeability and calcium flow . Secondly , we conducted the study on the toxicity of graphene and its oxidized graphene oxide to primary B cells and plasma cells . It has been shown that graphene oxide can induce the activation of various immune cells and the regulation of immune system . Our results show the importance of the physical and chemical properties of artificial nanomaterials to their negative biological effects from two important angles .

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

【共引文献】