筛选细胞小分子代谢物作为表面修饰调控纳米银生物兼容性和功能性的研究

作     者：孙安祺 

作者单位：南开大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡献刚

授予年度：2019年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：抗菌材料 生物兼容性 代谢组学 纳米银 

摘      要：目前,纳米材料由于优越的理化性质得到广泛的应用和关注,伴随而来的是其对环境及人体健康的威胁。在超过2000件纳米商品中,有一半是被广泛应用于抗菌领域的纳米银,这使得其应用被限制。因此,很多提升纳米银生物兼容性的方法被提出,如对其形状、尺寸和表面修饰的调节等。然而,由于材料的物理化学性质的改变,其生物兼容性的提升往往伴随着性能的降低。基于此,本研究提出从细胞中筛选小分子代谢物对纳米材料进行表面修饰,从而在不改变原有功能的前提下降低其生物毒性。首先,将人正常肝细胞(LO)暴露于纳米银,利用多种代谢组学分析手段(火山图包括样本t检验和差异倍数分析、偏最小二乘法判别分析及基因芯片显著性分析)分析细胞代谢物变化。将不同浓度的下调代谢物重新添加到细胞培养基后,结合细胞毒理学试验(包括细胞存活率、氧化应激程度和细胞凋亡)进一步筛选具有降低纳米银毒性作用的生物小分子。小分子代谢物作为表面修饰物对纳米银毒性和抗菌性的调控也被进一步探究。主要研究结果如下:(1)六种代谢物被筛选出来,分别是L型天冬氨酸、L型苹果酸、肌醇、D型山梨糖醇、柠檬酸和L型半胱氨酸。除L型半胱氨酸是上调代谢物外,其余五种均为下调代谢物。(2)细胞毒理学试验(包括细胞存活率、氧化应激程度和细胞凋亡)证明,D型山梨糖醇显著增高了细胞存活率、降低了活性氧自由基含量并减少了凋亡细胞含量,较其他四种下调代谢物具更为卓越的效果。(3)纳米银的稳定性在D型山梨糖醇存在时得到提高。具体来讲,对于相同质量的纳米银,D型山梨糖醇使其氧化程度降低且银离子释放量降低——D型山梨糖醇提升了细胞内的纳米态银和离子态银比例。D型山梨糖醇主要通过直接降低纳米银离子释放或促进银离子外排改良其纳米生物兼容性。(4)将D型山梨糖醇对纳米银进行表面修饰后,我们发现修饰后的纳米银不仅生物兼容性有所提高而且具有更强的抗菌性,对大肠埃希氏菌和金黄色酿脓葡萄球菌均有更持久的抗菌性。抗菌性持续到9 h以上而且在第12 h的抗菌性显著性高于未修饰的纳米银。本项工作提出了一种利用细胞小分子代谢物进行表面修饰进而促进纳米银生物兼容性和功能性的新方法,这种新思路也有望被应用于缓解其他纳米材料的生物毒性。