北京大學在納米生物學領域取得新進展
2018年6月19日，Nature Communications在線發表了北京大學藥學院張強教授研究團隊的最新研究成果：「Single-walled carbon-nanohorns improve biocompatibility over nanotubes by triggering less protein-initiated pyroptosis and apoptosis in macrophages」。論文第一作者為北京大學藥學院何冰講師，責任作者是張強教授，研究得到了國家973計劃和國家自然科學基金重點項目等的資助。
圖1 Nature Communications雜誌在線發表頁面截圖
納米（nanometer）是毫米的百萬分之一，納米技術（nanotechnology）即是研究在納米尺度（主要是1-100nm）範圍內的材料的性質及其應用的技術。20世紀90年代初，納米技術開始作為重要的研究工具應用於科學研究領域的多個方面，距今已有二十多年，極大促進了科學與技術的進步與發展，並逐漸上升為國家層面的大研究戰略。納米生物學是納米技術的重要組成部分，是在納米尺度考察構成生物機體的分子間作用特徵，闡明生物分子的結構與功能關係，以及研究納米材料與生物機體的相互作用機理，以此來指導全新的疾病診療策略的設計構建。近年來，納米生物學，特別是納米醫學技術迅速發展，大量用於疾病診斷或治療的納米材料被合成和製備，部分已經應用與臨床，顯示了巨大的發展潛力。
圖2 a和b：基於MTT和LDH的細胞毒性測定均顯示碳納米角（SNH）相比於多壁碳納米管（MNT1，MNT2）和單壁碳納米管（SNT1，SNT2）而言具有更低的誘導巨噬細胞毒響應；c：細胞透射電鏡結果顯示碳納米材料入胞後均定位於內吞體/溶酶體，碳納米角（SNH）具有與碳納米管（MNT，SNT）顯著不同的形態特徵
碳納米材料是納米技術領域的重大突破，自富勒烯（fullerene）被發現以來，碳納米管（carbon nanotube, CNT）、石墨烯（graphene）等具有不同結構特徵的碳納米材料相繼湧現，在能源、化工、醫療等領域不斷推動技術革新與進步。其中，單壁碳納米角（single-walled carbon nanohorn, SNH）是一種新型的碳納米材料，相比於棒狀的碳納米管和片層狀的石墨烯，碳納米角具有獨特的球狀形態，在多個研究領域引起越來越多的關注。基於與碳納米管在組成結構上的相似性，碳納米角繼承了碳納米管的諸多理化特性，在生物醫學診斷與治療等方面顯示出巨大的潛力，但其生物相容性及安全性依舊未知。如果能夠從生物安全性角度闡明碳納米角與生物機體的相互作用機理，對於這一新型納米材料的生物醫學應用具有重要的意義。
圖3 碳納米材料誘導巨噬細胞毒性響應的示意圖：SNH儘管具有與CNT相似的結構組成，但具有不同的形態特徵。結構組成的相似性顯示了SNH與CNT具有相同的入胞特徵與誘導細胞死亡機制（焦亡與凋亡的聯合作用機制）；但是納米尺度形態差異顯示了SNH相比於CNT具有更弱的GPNMB作用特徵，更低的內吞體/溶酶體膜擾動，更低的胞內溶酶體應激響應，從而具有比CNT更低的納米毒性和生物安全性。
該研究系統比較和闡明了單壁碳納米角（SNH）和碳納米管（CNT）對巨噬細胞的納米毒性及生物相容性，詳細研究了五種碳納米材料與細胞的相互作用特徵。發現SNH誘導細胞焦亡、細胞凋亡、蛋白質表達、水解酶滲漏、溶酶體應激、膜紊亂等層級作用機制，揭示了SNH生物安全性及相容性優於CNT的原理。特別是發現一種膜蛋白分子（非轉移性黑素瘤糖蛋白B，GPNMB）調控碳納米載體與細胞作用的新機制，發現了納米材料誘導細胞毒性響應的新作用靶點，為包括SNH在內的碳納米材料的生物醫學應用提供了生物安全基礎及調控策略。該課題屬於納米生物學領域，研究中所使用的光反射成像技術以及納米-蛋白相互作用組學技術也為納米載體的評價與應用提供了新的方法與思路。
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