重新思考纳米安全!多篇Small共同指路纳米安全
NanoLabs 2020-07-06

Small在2020年5.26号第16卷第21期出版了特刊“重新思考纳米安全”。赵宇亮院士、André E. Nel、Iseult Lynch及陈春英研究员等全球大牛从各个方面对纳米安全进行了介绍。

 

我们先来看下几个封面的文章:

首先,封面是本期专刊的封面, AndréE. Nel,夏天及其同事描述了基于金属的纳米颗粒如何被肝细胞内吞,以及在肝细胞中诱导的层级氧化应激反应,包括线粒体中活性氧的产生,谷胱甘肽的消耗,二相酶(如HO-1)的表达,促炎性细胞因子(包括IL-1β和TNF-α)的产生以及通过不同机制诱导的细胞死亡,包括细胞凋亡和细胞焦亡。

       

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封面二(InsideFront Cover)中,Tae Hyun Yoon及其同事描述了利用单细胞计数法和RNA序列技术在单细胞水平上分析纳米粒子与人类免疫细胞之间的异质相互作用,主要通过鉴定各种免疫细胞类型,细胞相关的纳米颗粒的定量,以及观察转录组谱和信号蛋白的表达。


 

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封面3(InsideBack Cover)的灵感来自Pink Floyd的专辑封面,它代表了石墨烯在用ZnS掺杂的AgInS2纳米晶体功能化后,未被检测到的“暗”信号转变为可见信号的过程,这样就允许在单个细胞水平上检测人外周血单核细胞。


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封面4(BackCover)中,同济大学林思劼教授及其同事在斑马鱼模型中研究了纳米光催化剂TiO2和g-C3N4对环境的潜在危害。在光照射下,纳米光催化剂会产生有害的活性氧物种,这些活性氧物种在纳米生物相互作用过程中会产生不利影响。毒性结果受光能,水深和天然有机物浓度的影响很大。


 

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以下,奇物论编辑部对“重新思考纳米安全”部分研究成果进行详细分类整理,供大家学习和交流!

 

1. 纳米材料的安全性设计

中国科学院长春应用化学研究所张海元研究员:基于能带属性调节下金属氧化物纳米材料的安全性设计研究


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金属氧化物纳米材料被广泛应用于化妆品,食品添加剂、净水剂和疾病治疗等领域,这些材料在生产、运输和使用过程中会通过呼吸系统、透皮吸收或吞食等途径进入人体,对人类健康构成严重威胁。因此,对纳米材料进行安全性设计能够降低纳米材料的生物威胁并拓宽其应用领域。张海元研究员团队以Mn3O4纳米颗粒为模型材料进行了安全性设计,展示了一种基于纳米材料能带属性调节的金属氧化物纳米颗粒的安全设计方法。

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Yanlin Feng. et al. Safety-by-Design of Metal OxideNanoparticles Based on the Regulation of their Energy Edges. Small 2020,201907643

DOI: 10.1002/smll. 201907643

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201907643


2. 纳米材料形成蛋白冠的研究:

纳米材料的一个关键生物转化是形成蛋白冠。当纳米颗粒进入生物环境时,它们会立即与蛋白质相互作用,形成纳米颗粒-蛋白质复合物,即“蛋白冠”。在大多数情况下,这种现象改变了纳米颗粒的理化性质,这样会引发蛋白质的错误折叠和聚集,随后影响纳米材料的生物相容性、毒性和生物分布等。而且蛋白冠的形成也被认为是纳米药物实现临床转化过程中的关键一环。因此,深入了解蛋白冠对生物安全性评估至关重要。

(1)西北工业大学尚利教授:荧光共振能量转移对量子点蛋白冠形成的原位研究

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西北工业大学尚利教授采用荧光共振能量转移(FRET)方法研究了量子点纳米颗粒对蛋白质的吸附行为,为定量研究纳米颗粒在体内外的生物相互作用提供一个多功能的平台。


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Shaohua Qu. et al. In Situ Investigation on theProtein Corona Formation of Quantum Dots by Using Fluorescence Resonance EnergyTransfer. Small 2020, 201907633

DOI: 10.1002/smll. 201907633

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201907633


(2)莱顿大学RawiRamautar教授:代谢组学方法测定纳米材料代谢物蛋白冠的初步研究


由于蛋白冠的重要性,莱顿大学RawiRamautar教授等采用定量代谢组学方法来定量探测代谢物与纳米材料结合,包括它们与血清蛋白相互作用,形成蛋白冠的研究。


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Andrew J. Chetwynd. et al. In Situ Investigation onthe Protein Corona Formation of Quantum Dots by Using Fluorescence ResonanceEnergy Transfer. Small 2020, 202000295

DOI: 10.1002/smll. 202000295

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll. 202000295


3. 纳米材料对植物、动物及环境的影响:

(1)伯明翰埃德巴斯顿大学的Iseult Lynch教授:土壤-植物系统中的纳米材料转化

 

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工程纳米材料(ENM)在提高农用化学品的利用效率,作物生产和土壤健康方面具有巨大潜力;然而,ENM对农业生态系统的潜在负面影响仍然是未知的。尤其是对土壤和植物中ENMs的转化缺乏清晰的认识。ENMs的转化可能是物理的、化学的和/或生物的,并且可能发生在土壤、植物界面和/或植物内部。由于转化是高度动态的过程,ENM可能会获得不同于其原始性质的新属性。因此,它们的活性或生物效应可能显著不同。伯明翰埃德巴斯顿大学Iseult Lynch教授讨论了ENM转化过程中的几个基本问题,包括ENM转化在土壤-植物系统中的驱动因素,以及ENM转化对分析物吸收、迁移和毒性的影响。Iseult Lynch教授强调了这一领域的主要知识差距,并概述了未来的研究需要,以确保可持续的纳米农业应用。

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Peng Zhang. et al. NanomaterialTransformation in the Soil–Plant System: Implications for Food Safety andApplication in Agriculture. Small 2020, 2000705

DOI: 10.1002/smll.2000705

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.2000705


(2)意大利生物化学与细胞生物学研究所Diana Boraschi:通过评估各种生物物种的先天免疫来解决纳米材料的免疫安全问题

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生物体(植物和动物)与外来物质的相互作用是生物体生存和适应环境的核心问题。应该从这个角度来考虑纳米安全性,并且应该检查不同的生物体如何与工程纳米材料(NM)相互作用来适应环境。意大利生物化学与细胞生物学研究所Diana Boraschi讨论了纳米与NM与主要生物系统(即免疫系统)之间的相互作用,因为免疫系统主要用于识别和响应外来物质。关注重点在于先天免疫,因为先天免疫是植物、无脊椎动物和低等脊椎动物的唯一免疫类型,与高等脊椎动物的适应性免疫共存。在大多数情况下,NM与生物体的相互作用会导致先天性免疫反应,从而消除一些潜在危险。


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Diana Boraschi. et al. Addressing NanomaterialImmunosafety by Evaluating Innate Immunity across Living Species. Small 2020,202000598

DOI: 10.1002/smll.202000598

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202000598


(3)中国科学院环境化学与生态毒理学研究中心国家重点实验室刘思金研究员和中国科学院资源环境学院、加州医科大学纳米医学系夏天教授:纳米材料的环境健康和安全对于保持纳米工业的可持续发展至关重要


纳米技术正取得令人瞩目的增长,预计到到2024年,全球纳米技术产业有望超过1250亿美元。然而,最近的一些研究发现一些纳米材料或药物会使人过敏或致癌。因此纳米工业的可持续增长需要更多的纳米环境健康与安全研究。在此,中国科学院环境化学与生态毒理学研究中心国家重点实验室刘思金研究员和中国科学院资源环境学院、加州医科大学纳米医学系夏天教授阐述了当前的知识差距和未来前进的方向。

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Sijin Liu* and Tian Xia. Continued Efforts onNanomaterial-Environmental Health and Safety Is Critical to MaintainSustainable Growth of Nanoindustry. Small 2020, 202000603

DOI: 10.1002/smll. 202000603

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202000603


4.纳米材料对肝脏健康的影响:

肝脏作为人体垃圾箱的作用是众所周知的,它是所有毒物的聚集地,纳米材料也不例外。纳米粒子在进入体内后会积聚在肝脏,与给药途径无关。

(1)新加坡国立科学大学药学院AdrianBoey 和 Han Kiat Ho:条条大路通肝脏:金属纳米颗粒对肝脏健康的影响


新加坡国立科学大学药学院Adrian Boey和Han Kiat Ho在该综述中将讨论范围限制在金属纳米粒子上,为它们在肝脏中的安全性提供一个平衡的看法,讨论可能的治疗效益以及由于金属纳米粒子与肝脏中特定细胞类型的相互作用而引起的潜在的意外肝损害。

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Adrian Boey and Han Kiat Ho. All Roads Lead to theLiver: Metal Nanoparticles and Their Implications for Liver Health. Small. 2020,202000153

DOI: 10.1002/smll. 202000153

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202000153


(2)圣塔克拉拉大学Korin E. Wheeler:低剂量银的表面化学诱导人类肝细胞基因表达的时间效应


Ag被广泛应用于消费品和生物医学产品中,因此了解其对肝细胞的影响对于Ag的风险评估非常重要。圣塔克拉拉大学Korin E. Wheeler等研究了低剂量银的表面化学诱导人类肝细胞基因表达的时间效应。


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John S. House. et al. Low-Dose Silver NanoparticleSurface Chemistry and Temporal Effects on Gene Expression in Human Liver Cells.Small. 2020,202000299

DOI: 10.1002/smll. 202000299

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll. 202000299


(3)格罗宁根大学Anna Salvati时间分辨定量精确切割的肝切片中纳米颗粒的摄取、分布和影响


格罗宁根大学Anna Salvati等提供了精确切割肝切片中纳米颗粒的摄取、分布和影响的定量时间分辨数据,朝着体内外桥接方法这一方向迈出了重要一步。


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Roberta Bartucci. et al. Time-Resolved Quantificationof Nanoparticle Uptake, Distribution, and Impact in Precision-Cut Liver Slices.Small. 2020,201906523

DOI: 10.1002/smll. 201906523

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll. 201906523


(4)中国科学院资源环境学院、加州医科大学纳米医学系夏天:金属氧化物纳米材料造成肝细胞死亡的反应机制


金属氧化物纳米材料对肝细胞毒性机制的研究还很缺乏,中国科学院资源环境学院、加州医科大学纳米医学系夏天对金属氧化物纳米材料造成肝细胞死亡的反应机制进行了研究,发现不同金属氧化物具有不同的死亡机制,这样有助于进行全面的安全性评价。

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Xiang Wang. et al. Mechanistic Differences in CellDeath Responses to Metal-Based Engineered Nanomaterials in Kupffer Cells andHepatocytes. Small. 2020,202000528

DOI: 10.1002/smll. 202000528

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202000528


5.纳米材料不同暴露途径对毒性的影响:

纳米材料的暴露途径很大程度上决定了纳米材料的毒性,以及造成各种疾病。因此,研究纳米材料不同暴露途径对其毒性的影响至关重要。


(1)国家纳米科学中心陈春英:纳米材料和肠道之间的相互作用


工程性纳米材料(EMS)因其良好的性能而被广泛应用于食品添加剂、食品包装和治疗等领域,因此,人类经常口服外源纳米材料,这意味着肠道是纳米材料的主要靶点之一。因此,了解纳米材料与肠道的相互作用具有重要意义。当纳米材料进入肠腔时,它们不可避免地与各种成分相互作用,在肠道上的位置不同会有不同的生物效果,这被称为位置导向效应(LOE)。基于此,国家纳米科学中心陈春英研究员对纳米材料和肠道之间的相互作用,即纳米材料在肠道中的位置导向效应的研究进展进行了综述。深入了解EMS诱导的LOE将有助于设计更安全的EMS和开发更有效的肠道相关疾病纳米药物。


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Xuejing Cui. et al. The Nano–Intestine Interaction:Understanding the Location-Oriented Effects of Engineered Nanomaterials in theIntestine. Small. 2020,201907665

DOI: 10.1002/smll.201907665

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201907665


(2)丹麦哥本哈根国家工作环境研究中心UllaVogel:心血管疾病是职业病!!!纳米颗粒诱导的急性反应是其诱发心血管疾病的作用机制


随着纳米材料的广泛应用,这些材料在生产、运输和使用过程中会通过呼吸系统、透皮吸收或吞食等途径进入人体,从而损伤细胞器官并干扰细胞功能,导致严重的呼吸系统疾病(哮喘、肺气肿和癌)和心血管疾病(心脏病和中风),对人类健康构成严重威胁。纳米颗粒诱导的急性反应可能是其诱导心血管疾病的重要作用机制。丹麦哥本哈根国家工作环境研究中心Ulla Vogel教授回顾了吸入颗粒物或纳米材料诱导急性反应和心血管疾病风险之间的因果关系。这样,纳米材料诱导的急性反应为其诱发心血管疾病的风险评估提供了一种新的手段,证明了心血管疾病是一种职业病。

 

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Niels Hadrup et al. Acute PhaseResponse as a Biological Mechanism-ofAction of (Nano)particle-InducedCardiovascular Disease. Small 2020, 1907476

DOI: 10.1002/smll.201907476

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201907476


(3)萨尔茨堡大学Albert Duschl:什么情况下免疫学家会认为纳米材料是安全的?关于纳米安全研究的几点建议


免疫是人体的一种生理功能,人体依靠这种功能识别“自己”和“非己”成分,对进入人体的外来成分加以识别和响应。因此,当细胞和生物体暴露于纳米材料时,免疫反应几乎是不可避免的。萨尔茨堡大学Albert Duschl教授回顾了在纳米安全性研究中考虑免疫系统的研究现状,并指出需要进一步改进的三个方面:1)由于技术限制,应对内毒素污染进行更严格的测试。2)由于在过量情况下免疫力显示出非生理反应,因此所有剂量均应与组织输送剂量等效。3)当观察到急性炎症或细胞应激的标志物时,必须进行功能测定,以区分稳态波动和真正的防御或耐受性反应。由于免疫激活也可能表明免疫系统认为刺激无害并诱导耐受,因此激活标记本身并不一定暗示对身体有危险。这样的指导方针对于判定纳米材料是否安全是非常必要的。

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Martin Himly et al. When Would Immunologists Considera Nanomaterial to be Safe? Recommendations for Planning Studies on Nanosafety. Small 2020, 1907483

DOI: 10.1002/smll.201907483

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201907483


(4)南洋理工大学材料科学与工程学院ChorYong Tay:炎症增加人小气道上皮细胞对肺部纳米毒性的敏感性


暴露于尺寸小于100nm的吸入性纳米材料与许多呼吸疾病有关。尽管许多研究已经确定了纳米材料的一些关键物理化学性质可以造成肺炎毒性。但是,纳米材料暴露的复杂交互作用和累积效应,特别是在先前存在炎症性呼吸道疾病的个体中,仍然不清楚。南洋理工大学材料科学与工程学院Chor Yong Tay教授检测了原代人小气道上皮细胞(SAEC)和肿瘤坏死因子α(TNF-α)诱导的炎症SAEC暴露于一些纳米颗粒(CuO、ZnO、低碳钢焊接烟尘(MSWF)和复印机中心颗粒纳米组分(Nano-CCP))后对毒性的敏感性。研究发现,与正常SAEC相比,由于细胞内活性氧(ROS)的基础水平较高,炎症细胞对纳米诱导的细胞毒性的敏感性增加了15-70%,证明对肺部纳米毒性的易感性高度依赖于纳米特性与肺泡环境炎症之间的相互作用。


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Zhuoran Wu. et al. Inflammation IncreasesSusceptibility of Human Small

Airway Epithelial Cells to Pneumonic Nanotoxicity. Small2020, 2000963

DOI: 10.1002/smll. 2000963

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.2000963

 

结语:

当我们探索纳米材料与生命系统的相互作用,绘制并量化细胞、组织、生物体和种群水平上的变化时,我们正在学习大量关于生物功能以及纳米材料功能的知识。因此,纳米安全不仅是纳米材料开发和应用的必要方面,而且是监管的基石,是一个蓬勃发展,创新和令人兴奋的研究领域,它利用化学信息学,系统毒理学和小分子化学方面的发展,并随着分析方法的进步,产生了令人振奋的创新。纳米安全研究人员正在开拓先进的细胞和组织模型的发展,从而加速从动物试验过渡的进程。纳米安全研究目前正被用于推动从个性化纳米医学到精密纳米农业等领域的创新。

本期特刊汇集了纳米安全领域最优秀的思想领袖,为纳米安全研究的当前和未来方向提供信息指导,以更好地促进人类和环境健康。该特刊由两部分组成,所以请继续关注“重新思考纳米安全”第二部分,它们将在2020年7月与大家见面。

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