研究揭示金納米棒暴露對細胞代謝影響(什么是納米生物學(xué))

研究揭示金納米棒暴露對細胞代謝影響

2016年10月03日訊 近日，中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所生物磁共振分析重點實驗室的生物醫(yī)學(xué)及代謝組研究團隊，在不同表面修飾金納米棒暴露對細胞代謝影響的研究方面取得新進展，相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表于《先進保健材料》。

金納米棒在細胞成像、藥物載體以及生物醫(yī)學(xué)診斷和癌癥的熱療中有潛在的應(yīng)用前景。金納米棒具有獨特的物理化學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，可以通過表面修飾實現(xiàn)多功能，但目前關(guān)于其經(jīng)過不同表面修飾后，影響細胞代謝的機制并不清楚。該所研究員王玉蘭、博士柳志剛等，研究了不同表面修飾金納米棒對來源于人肺腺癌細胞的A549細胞，以及來源于正常人支氣管上皮細胞的16HBE細胞的代謝影響。

研究人員將PSS（聚苯乙烯磺酸鈉）、PDDAC（聚二烯丙基二甲基氯化銨）和PEI（聚乙烯亞胺）用于修飾金納米棒，合成后的PSS金納米棒表面呈負電荷，而PDDAC及PEI修飾的金納米棒表面呈正電荷。研究發(fā)現(xiàn)正電荷與負電荷的金納米棒引發(fā)細胞不同的代謝應(yīng)答，如這些金納米棒對A549細胞的毒性作用以及代謝影響明顯大于16HBE細胞，而PEI修飾的金納米棒顯示出對A549細胞最大的殺傷作用及代謝紊亂，而對16HBE細胞具有較小的影響。此外，研究還發(fā)現(xiàn)陽離子金納米棒可能會靶向膽堿代謝來殺傷癌細胞。

細胞代謝簡介

細胞內(nèi)發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)的總稱，主要有分解代謝和合成代謝兩個過程組成。 新陳代謝（metabolism）的概念 新陳代謝是生物體內(nèi)全部有序化學(xué)變化的總稱。它包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩個方面。物質(zhì)代謝：是指生物體與外界環(huán)境之間物質(zhì)的交換和生物體內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程。 能量代謝：是指生物體與外界環(huán)境之間能量的交換和生物體內(nèi)能量的轉(zhuǎn)變過程。

什么是納米生物學(xué)

納米生物學(xué)

納米生物學(xué)主要包含兩個方面：
一，利用新興的納米技術(shù)來解決研究和生物學(xué)問題；
二，利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的分子機器。納米科技的最終目的是制造分子機器，而分子機器的啟發(fā)來源于生物體系中存在的大量的生物大分子，它們被費曼等人看作是自然界的分子機器。從這個意義上說，納米生物學(xué)應(yīng)該是納米科技中的一個核心領(lǐng)域。

利用DNA和某些特殊的蛋白質(zhì)的特殊性質(zhì)，有可能制造出分子器件。目前研究的熱點在分子馬達、硅－神經(jīng)細胞體系和DNA相關(guān)的納米體系與器件。利用納米技術(shù)，人們已經(jīng)可以操縱單個的生物大分子。操縱生物大分子，被認(rèn)為是有可能引發(fā)第二次生物學(xué)革命的重要技術(shù)之一。

在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細胞、紅血球小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個新的研究途徑，即利用納米微粒進行細胞分離、細胞染色及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進行局部定向治療等。關(guān)于這方面的研究現(xiàn)在處于初始階段，但卻有廣闊的應(yīng)用前景。

細胞分離
生物細胞分離是生物細胞學(xué)研究中一種十分重要的技術(shù)，它關(guān)系到研究所需要的細胞標(biāo)本能不能快速獲得的關(guān)鍵問題。這種細胞分離技術(shù)在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在婦女懷孕8星期左右，其血液中就開始出現(xiàn)非常少量的胎兒細胞，為判斷胎兒是否有遺傳缺陷,過去常常采用價格昂貴并對人身有害的技術(shù)，如羊水診斷等。用納米微粒很容易將血樣中極少量胎兒細胞分離出來，方法簡便，價錢便宜，并能準(zhǔn)確地判斷胎兒細胞是否有遺傳缺陷。美國等先進國家已采用這種技術(shù)用于臨床診斷。癌癥的早期診斷一直是醫(yī)學(xué)界急待解決的難題。美國科學(xué)家利貝蒂指出，利用納米微粒進行細胞分離技術(shù)很可能在腫瘤早期的血液中檢查出癌細胞，實現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。同時他們還正在研究實現(xiàn)用納米微粒檢查血液中的心肌蛋白，以幫助治療心臟病。納米細胞分離技術(shù)將給人們帶來福音。以往的細胞分離技術(shù)主要采用離心法，利用密度梯度原理進行分離，時間長效果差。80年代初，人們開始利用納米微粒進行細胞分離，建立了用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的新技術(shù)。其基本原理和過程是：先制備SiO2納米微粒，尺寸控制在15～20nm，結(jié)構(gòu)一般為非晶態(tài)，再將其表面包覆單分子層，包覆層的選擇主要依據(jù)所要分離的細胞種類而定，一般選擇與所要分離細胞有親和作用的物質(zhì)作為附著層。這種Si02納米粒子包覆后所形成復(fù)合體的尺寸約為30nm。第二步是制取含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液，適當(dāng)控制膠體溶液濃度。第三步是將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過離心技術(shù)，利用密度梯度原理，使所需要的細胞很快分離出來。此方法的優(yōu)點是：
1．易形成密度梯度。納米包覆體尺寸約30nm，因而膠體溶液在離心作用下很容易產(chǎn)生密度梯度. 2．易實現(xiàn)納米Sio2粒子與細胞的分離。這是因為納米SiO2微粒是屬于無機玻璃的范疇性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)，既不會沾污生物細胞，也容易把它們分開。

細胞內(nèi)部染色
細胞內(nèi)部的染色對用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡研究細胞內(nèi)各種組織是十分重要的一種技術(shù)。它在研究細胞生物學(xué)中占有極為重要的作用。細胞中存在各種器官和細絲。器官有線粒體、核和小胞腔等。細絲主要有三種，直徑約為6—20nm。它們縱橫交錯在細胞內(nèi)構(gòu)成了細胞骨骼體系，而這種組織保持了細胞的形態(tài)，控制細胞的變化、運動、分裂、細胞內(nèi)器官的移動和原生質(zhì)流動等。未加染色的細胞由于襯度很低，很難用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡進行觀察，細胞內(nèi)的器官和骨骼體系很難觀察和分辨,為了解決這一問題，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了幾種染色技術(shù)。如熒抗體法、鐵蛋白抗體法和過氧化物酶染色法等，目的是提高用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡觀察細胞組織的襯度。隨著細胞學(xué)研究的發(fā)展，要求進一步提高觀察細胞內(nèi)組織的分辨率，這就需要尋找新的染色方法。納米微粒的出現(xiàn)，為建立新的染色技術(shù)提供了新·的途徑。最近比利時的德梅博士等人采用乙醚的黃磷飽和溶液、抗壞血酸或者檸檬酸鈉把金從氯化金酸(HAuCl‘)水溶液中還原出來形成金納米粒子，粒徑的尺寸范圍是3—40nm。接著制備金納米粒子—抗體的復(fù)合體，具體方法是將金超微粒與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合。這里選擇抗體的類型是制備復(fù)合體的重要一環(huán)，不同的抗體對細胞內(nèi)各種器官和骨gS組織敏感程度和親和力有很大的差別。我們可以根據(jù)這些差別制備多種金納米粒子—抗體的復(fù)合體，而這些復(fù)合體分別與細胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)相結(jié)合，就相當(dāng)于給各種組織貼上了標(biāo)簽。由于它們在光 學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡下襯度差別很大，這就很容易分辨各種組織。這就是利用納米粒子進行細胞染色技術(shù)。

大量研究表明，納米微粒與抗體的結(jié)合并不是共價鍵而是弱庫侖作用的離子鍵，因此制造穩(wěn)定的復(fù)合體工藝比較復(fù)雜，但選 擇適當(dāng)條件是可以制造多種納米微粒一抗體的穩(wěn)定復(fù)合體。細胞染色的原理與金屬金的超微粒子光學(xué)特性有關(guān)。一般來說，超微粒子的光吸收和光散射很可能在顯微鏡下呈現(xiàn)自己的特征顏色，由于納米微粒尺寸小，電子能級發(fā)生分裂，能級之間的間距與粒徑大小有關(guān)，由于從低能級的躍遷很可能吸收某種波長的光，納米微粒的龐大比表面中原子的振動模式與顆粒內(nèi)部不同，它的等離子共振也會產(chǎn)生對某種波長的光的吸收，納米粒于與抗體之間的界面也會對某種波長光的吸收產(chǎn)生影響。由于上述幾種原因，

金納米粒子—抗體復(fù)合體在白光或單色光照射下就會呈現(xiàn)某種特定的顏色。實驗已經(jīng)證實，對10nm直徑以上的金納米粒子在光學(xué)顯微鏡的明場下可觀察到它的顏色為紅色。

表面包敷的磁性納米粒子在藥物上的應(yīng)用
磁性納米粒子表面涂覆高分子，在外部再與蛋白相結(jié)合可以注入生物體中，這種技術(shù)目前尚在實驗階段，已通過了動物臨床 實驗。這種載有高分子和蛋白的磁性納米粒子作為藥物的載體，然后靜脈注射到動物體內(nèi)(小鼠、白兔等)，在外加磁場2125)4 10’／冗(A／m)下通過納米微粒的磁性導(dǎo)航，使其移向病變部位，達到定向治療的目的。這就是磁性超微粒子在藥物學(xué)應(yīng)用的基本原理。

這里最重要的是選擇一種生物活性劑，根據(jù)癌細胞和正常細胞表面糖鏈的差異，使這種生物活性劑僅僅與癌細胞有親和力而對正常細胞不敏感，表面包覆高分子的磁性納米微粒載有這種活性劑就會達到治療的目的。動物臨床實驗證實，帶有磁性的納米微粒是發(fā)展這種技術(shù)的最有前途的對象(純金屑N5、Co磁性納米粒子由于有致癌作用，不宜使用)， 例如10—50nm的Fe3o4的磁性粒子表面包覆甲基丙烯酸，尺寸約為200nm，這種亞微米級的粒子攜帶蛋白、抗體和藥物可以用于癌癥的診斷和治療。這種局部治療效果好，副作用少，很可能成為您癥的治療方向。但目前還存在不少的問題，影響這種技術(shù)在人體的應(yīng)用。如何避免包覆的高分子層在生物體中的分解，是今后應(yīng)該加以研究的問題。

磁性納米粒子在分離癌細胞和正常細胞方面經(jīng)動物臨床試驗已獲成功，顯示出了引人注目的應(yīng)用前景。我們知道，癌癥、腫瘤手術(shù)后要進行放射性輻照，以殺死殘存的癌細胞，但與此同時大面積輻照也會使正常細胞受到傷害，尤其是會使對生命極端重要的具有造血功能和免疫系統(tǒng)的骨髓細胞受損害，所以在輻照治療前將骨髓抽出，輻照后再重新注入，但在較多的情況下癌細胞已擴散到骨助中，因此在把癌細胞從骨髓液中分離出來是至關(guān)重要的，否則將含有癌細胞的骨髓液注回輻照治療后的骨髓中還會舊病復(fù)發(fā)。

利用磁性超微粒子分離癌細胞的技術(shù)主要采取約50nm的Fe304‘納米粒子，包覆聚苯乙烯后直徑為3μm，用于小鼠骨髓液中癌細胞分離的實驗，具體過程如圖4-8所示。首先從羊身上取出抗小鼠Fc抗體(免疫球蛋白)，然后與上述磁性粒子的包覆物相結(jié)合，如圖4-8A所示。將小鼠帶有正常細胞和癌細胞的骨髓液取出，加入小鼠雜種產(chǎn)生的抗神經(jīng)母細胞瘤(尚未徹底分化的癌化神經(jīng)細胞)單克隆抗體，此抗體只與骨髓液中的癌細胞結(jié)合。最后將抗體和包覆層的磁性粒子放入骨髓液中，它只與攜帶抗體的癌細胞相結(jié)合。而利用磁分離裝置很容易將癌細胞從骨髓中分離出來，其分離度達99．9％以上。
行了人體骨髓液癌細胞的分離來治療病患者。

等離子體納米粒子散射光有沒有用？

等離子體納米粒子散射光是有用的，但其中一些會在表面丟失，科學(xué)家們現(xiàn)在開始找出原因。在萊斯大學(xué)和美因茨約翰內(nèi)斯古登堡大學(xué)的新實驗中，以及普林斯頓大學(xué)理論研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，單個金納米棒表面的分子通過改變粒子本身的電子結(jié)構(gòu)，影響其等離子體反應(yīng)。

這一發(fā)現(xiàn)可能會加強催化等應(yīng)用，包括等離子體驅(qū)動化學(xué)。等離子體激元是一種電子波紋，當(dāng)光觸發(fā)時，它會在金屬納米顆粒表面產(chǎn)生共振。

博科園-科學(xué)科普：以一個波長或一種顏色接收到的光，以相同的波長輻射，這可以讓研究人員了解粒子及其環(huán)境。表面等離子體激元有助于感知化學(xué)物質(zhì)的存在，使光化學(xué)和選擇性催化化學(xué)反應(yīng)成為可能。但是，粒子表面和研究人員眼睛之間失去的光可以包含以前沒有考慮過的額外信息。人們認(rèn)為等離子體阻尼導(dǎo)致的信號損失是由于化學(xué)物質(zhì)吸附在納米顆粒表面，可能是由于電荷從金屬轉(zhuǎn)移到化學(xué)物質(zhì)。但萊斯大學(xué)化學(xué)、電氣和計算機工程教授斯蒂芬?林克(Stephan Link)懷疑，僅僅一個解釋就能適用于所有研究。

《科學(xué)進展》(Science Advances)上發(fā)表了一項完全不同的機制發(fā)現(xiàn)，由y led Link、首席作者本杰明?福斯特(Benjamin Forster)及其同事共同完成。策略是將兩種具有不同原子排列的相同大小分子放在單個金納米棒上進行分析。這些分子，籠狀的碳硼烷硫醇，誘導(dǎo)金屬表面的偶極子，而這些偶極子又分散了足夠多的電漿子能量來減弱它們的信號。這使得研究人員可以直接觀察和測量阻尼，而不受其他分子或納米棒的干擾。硫醇(除了一個碳原子的位置不同外)與納米棒的接近，導(dǎo)致了獨特的偶極矩

分子的正極和負極會改變強度，并像指南針的針一樣在金屬表面移動。普林斯頓大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(School of Engineering and Applied Science)院長、理論計算科學(xué)家艾米麗·卡特(Emily Carter)進行了詳細的量子力學(xué)計算，以測試能夠解釋實驗的機制。等離子體共振有一個譜寬，和共振波長一起，可以產(chǎn)生特定的顏色。一條窄線會讓你看起來更真實。所以觀察當(dāng)把分子放在粒子上時，共振寬度是如何變化的。不是所有的分子都能做到，同樣大小的碳硼烷硫醇分子以同樣尺寸粘附在金納米顆粒上，但其化學(xué)性質(zhì)差異足以改變等離子體激元的光譜寬度。

這使得研究人員可以通過每種類型的分子測量等離子體阻尼，而不受其他阻尼機制的干擾。等離子體激元在表面的流動很大程度上取決于粒子大小和形狀，因此很少有人注意吸附在表面的化學(xué)物質(zhì)影響。如果改變納米羅德的表面，能量會以不同的方式流失，我們根本不明白這是怎么回事。但如果某樣?xùn)|西失去了能量，它就不能像你希望的那樣工作。周圍介質(zhì)的折射特性以及來自不同大小和形狀的多個粒子平均信號也會影響信號，這也使得分析吸附化學(xué)物質(zhì)的影響變得困難。

幾個因素決定了等離子體共振的寬度，但每個人都提到了一個沒有人真正用定量方法解決過的因素。許多人將其歸咎于電荷轉(zhuǎn)移，即被激發(fā)的熱電子從金屬轉(zhuǎn)移到分子中。每次把一個分子放在金屬顆粒上，情況可能都不一樣，但這讓我們第一次有了一個完整的定量研究，同時也不會對界面上的化學(xué)成分視而不見。它讓我們明白化學(xué)是很重要的。這項研究工作是基礎(chǔ)性的，研究表示它很漂亮，因為它非常簡單，我們把正確的樣本、實驗、單粒子光譜和先進的理論結(jié)合起來，把它們放在一起。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自: 萊斯大學(xué)

參考期刊文獻:《Science Advances 》

DOI: 10.1126/sciadv.aav0704

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納米氣泡對細胞的影響有哪些

影響如下：
1、促進細胞生長：納米氣泡可以提供細小的納米氣泡，使細胞生長得更快，同時提高微生物和細胞活性，從而起到增產(chǎn)、增質(zhì)的作用，并降低能源消耗。
2、破壞癌細胞：某些納米氣泡可以像“特洛伊木馬”一樣，利用可穿透數(shù)厘米厚組織的紅外激光照射“擊中”這些金原子，這些納米簇會瞬間產(chǎn)生巨大熱能，將周圍的組織液氣化，產(chǎn)生一些納米氣泡將癌細胞撕裂或“炸掉”。

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