纳米材料的物理化学性质对细胞摄取、内吞机制及生物安全性影响的研究

摘要

纳米材料作为荧光探针或者药物载体，为癌症的诊断和治疗开辟了一条新的道路。近年来，研究者们系统地探究了纳米载体的物理化学性质（尺寸、形貌、表面电荷、表面化学修饰、表面拓扑结构等），对细胞摄取、细胞内吞机制、活体组织分布、代谢以及生物安全性等方面的影响，获得了显著的成果。然而，对纳米药物形貌影响抗癌效率和活体安全性的研究，纳米成像材料的表面粗糙程度影响细胞摄取、内吞机制的研究，以及对有机纳米荧光染料的生物安全研究等，都是较为缺乏的。本论文针对上述问题进行系统地研究，具体工作内容和结论概括如下：
　　1、我们制备了棒状和球状两种形貌的10-羟基喜树碱（HCPT）纳米药物（HCPT NRs和HCPT NPs），研究了纳米药物的形貌对抗癌效率及活体毒副作用的影响。首先，通过对比两种不同形貌的纳米药物对细胞摄取、细胞毒性及肿瘤治疗效果实验，我们发现HCPT NRs比HCPT NPs更容易被细胞摄取，且有更好的肿瘤治疗效果。然后，我们着重探究了不同形貌的纳米药物对正常活体的毒副作用。实验结果显示小鼠对HCPT NPs的最大耐药量为8 mg/kg，而对HCPT NRs的最大耐药量仅为5 mg/kg。血常规血生化实验发现，分子态HCPT具有急性的肝脏和肾脏损伤，HCPT NRs具有长期的肝脏毒性。然而，HCPT NPs只在短期时间里影响小鼠的白细胞（WBC）和白蛋白（ALB）等血液指标，表现出较温和的毒副作用。本文实验数据表明，HCPT NPs不仅具有较好的抗癌效率，而且对活体毒副作用较轻，使其更适于临床应用。我们的研究成果给未来纳米药物的设计，平衡考虑抗癌效率和毒副作用之间关系，具有重要的意义。
　　2、我们在染料纳米颗粒（NPAPF NPs）的表面包裹一层薄的二氧化硅外壳（NPAPF NPs@SiO2），改变了NPAPF NPs的表面电荷及表面粗糙度，系统地研究了染料纳米颗粒表面电荷和表面粗糙度对细胞摄取、内吞机制及纳米颗粒在细胞内“命运”的影响。实验发现，虽然染料纳米颗粒表面电荷由负到正的改变会影响细胞对其的摄取，但其表面拓扑结构由光滑到粗糙的改变，对提高细胞摄取起到了更为突出的作用。同时，我们发现因为表面粗糙程度的变化，影响了细胞摄取 NPAPF NPs@SiO2的机制，由原来网格蛋白和小窝蛋白协同介导摄取 NPAPF NPs的内吞机制，改变成不依赖网格和小窝蛋白介导的内吞机制。此外，由于内吞机制的变化，使得NPAPF NPs@SiO2进入细胞后可以逃逸溶酶体的捕获、不易被细胞“清除”出细胞外。本文实验数据表明，通过调控成像材料的表面拓扑结构，改变了细胞的内吞机制，从而提高了细胞对其摄取，获得更理想的成像效果。我们的研究成果，对设计纳米成像材料以用于细胞长时间、实时示踪成像应用，有着重要的指导意义。
　　3、我们将NPAPF NPs用PEG修饰后（NPAPF NPs-PEG），系统地研究了纳米材料PEG表面修饰对细胞生物安全性的影响。我们实验发现PEG的修饰不影响肝癌细胞HepG2的摄取，但是很大程度地降低正常肝细胞HL-7702的摄取。细胞MTT实验和细胞凋亡实验数据显示，NPAPF NPs在浓度达到40μM就会影响细胞正常，而100μM浓度下的NPAPF NPs-PEG才对细胞显示出轻微的毒性。细胞形态实验发现，100μM的NPAPF NPs孵育下，部分HepG2细胞的形态由梭形变为圆形。细胞活性氧（ROS）实验数据显示，两种材料都会不同程度地影响细胞内ROS水平，且NPs孵育的细胞ROS增高更明显。最后，我们通过溶酶体重叠实验发现NPs和NPs-PEG被细胞摄取后都进入胞内溶酶体，且都较容易被细胞“代谢”出胞外，这对减轻纳米材料的毒性作用有一定的帮助。我们的研究成果表明，纳米材料的表面PEG修饰可以提高其对细胞的生物安全性，对纳米成像材料的生物应用提供有用的信息。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2纳米材料物理性质影响细胞摄取的概述

1.3纳米材料物理性质影响细胞内吞机制的概述

1.4纳米材料物理化学性质对生物安全性影响的概述

1.5本论文选题依据和研究内容

参考文献

第二章 纳米药物的形貌调控对抗癌效率和活体毒副作用的影响

2.1前言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4本章小结

参考文献

第三章 染料纳米颗粒表面物理性质的调控对细胞成像的影响

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

参考文献

第四章 有机染料纳米粒子的表面修饰对细胞生物安全性的影响

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.3本章小结

参考文献

第五章 总结

1. 纳米药物的形貌调控对抗癌效率和活体毒副作用的影响

2. 染料纳米颗粒的表面物理性质的调控对细胞成像的影响

3. 有机染料纳米粒子的表面修饰对细胞生物安全性的影响

攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文

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