综述——新型纳米生物材料的研发：医学纳米颗粒对类细胞膜作用的仿真研究进展

细胞膜是包围细胞质、维持细胞内部组分动态平衡的一个半透膜,参与细胞黏附、离子传导、信号传导等分子生物学过程．类细胞膜提供了有效的模型研究这些生物学过程,故而分子层面上研究医学纳米颗粒对类细胞膜的作用有助于评估纳米颗粒的生物安全性以及促进纳米颗粒的生物医学应用．本文初步探讨了医学纳米颗粒对类细胞膜作用的仿真研究进展,并在此基础上结合膜生物物理学的研究热点对后续的研究进行了展望．     

蛋白纳米颗粒与细胞力电平衡

人体细胞的生命活动依赖于膜电位极化和胞内外离子不对称动态平衡(也称生物渗透压平衡)。膜电位改变及离子含量组成变化均参与了细胞对环境理化刺激的应激反应,调控其对环境改变的适应。最近的研究发现：人体血浆及细胞内的蛋白纳米颗粒变化参与了细胞膜电位的调控,与细胞内外离子的重新分布及跨膜渗透压的改变密切相关。电压依赖离子通道的激活及开放程度,是诱导细胞离子重新分布的重要调控机制,其活性与蛋白纳米颗粒调控的膜电位改变密切相关,且离子组成也参与了蛋白纳米颗粒吸附离子诱导膜电位变化的调节。因而,蛋白纳米颗粒是调控细胞膜电位平衡及生物渗透压平衡的重要物理机制,这一协同调控的力电活动与多种与蛋白纳米颗粒相关疾病的发生及治疗密切相关,该机制的阐明能为解析当前多种临床疑难疾病的发病机制提出新的研究方向。     

叶酸修饰增强CdS-TiO_2光动力体外灭活HL60细胞效果探究

本文研究了叶酸修饰硫化镉掺杂二氧化钛(FA-CdS-TiO_2)纳米颗粒体外光动力(PDT)灭活HL60细胞的作用效果,探讨了叶酸修饰增强CdS-TiO_2体外PDT效果的作用机理。采用表面修饰的方法制备FA-CdSTiO_2;通过透射电镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FTIR)、荧光激发光谱(FS)方法,对纳米颗粒进行结构和光学性质的表征;采用CCK-8法检测细胞活性;利用荧光探针标记技术分析细胞内活性氧水平和细胞对纳米颗粒的摄取效率。实验结果表明:叶酸修饰后,纳米颗粒粒径大小和光学性质符合光敏剂要求,且不会引起新的细胞毒性;通过叶酸修饰,细胞对纳米颗粒的摄取效率提升,细胞内活性氧产量提高,FA-CdS-TiO_2纳米颗粒的PDT效率明显增强,在FA-CdS-TiO_2浓度为20μg/m L时,暗室细胞存活率约为85%,可见光下对HL60细胞的灭活率达78%,实现了较低暗毒性下的较高PDT灭活效率。     

磁性纳米颗粒作为基因转染载体的研究

通过扫描电子显微镜和Zeta电位仪对磁性纳米颗粒的形貌、粒径、表面电位等进行了表征。利用凝胶电泳阻滞试验分析磁性纳米颗粒与DNA的结合情况,研究磁性纳米颗粒对DNA的保护效果,运用MTT和流式细胞术分析磁性纳米颗粒对细胞的毒性。以绿色荧光蛋白基因为报告基因进行293T细胞的转染,研究磁性纳米颗粒与质粒DNA不同比例条件下对293T细胞的转染效率,并与脂质体(Lipofectamine2000)介导的转染进行比较分析。结果表明,磁性纳米颗粒与DNA可以稳定结合,可以保护DNA免受酶的消化作用,当磁性纳米颗粒与DNA比为1 1时,转染效率最高,优于脂质体(Lipotamine2000)介导的转染,且对细胞的毒害作用小于Lipotamine2000。     

细胞对纳米材料的胞吞及其胞内定位相关机制的研究进展

纳米材料具有独特的理化性质,其在纳米生物医药技术中得到广泛的研究,有着良好的应用前景。纳米材料的尺寸分布在纳米级。使其入胞途径和转运方式与一般尺寸的物质略有不同。细胞可通过网格蛋白介导胞吞、陷窝小泡介导胞吞、吞噬作用和巨胞饮等胞吞方式摄取纳米颗粒。吞噬的方式及后续的转运和定位受细胞的类型、状态,以及纳米颗粒的理化性质如元素组成、尺寸、形状、电荷、表面修饰等多种因素共同影响。     

Al2O3纳米颗粒对梨形四膜虫细胞毒性机理研究

采用模式生物梨形四膜虫为研究对象,探讨了Al2O3纳米颗粒对生物细胞的毒性。分别研究了纳米Al2O3对梨形四膜虫生长繁殖、乙酰胆碱酯酶(True choline esterase,TChE)活性、琥珀酸脱氢酶(Succinatedehydrogenase,SDH)活性以及对热激蛋白70(HSP70)和多药耐药(MDR1)基因的表达活性的影响。结果表明:Al2O3纳米颗粒对梨形四膜虫的生长繁殖具有显著的抑制作用,并延长了传代时间,减少了繁殖代数;Al2O3纳米颗粒对梨形四膜虫TChE的活力表现为中低浓度(10 mg/L与100 mg/L)激活,高浓度(500 mg/L)抑制的趋势,而对SDH的活力具有抑制作用,浓度越高作用越明显,尤其在500 mg/L浓度下抑制作用极显著(p<0.01);Al2O3纳米颗粒对梨形四膜虫HSP70及MDR1基因表达均有显著作用,HSP70表现为低浓度抑制、高浓度诱导,而MDR1表现为低浓度诱导、高浓度抑制。可知,Al2O3纳米颗粒对梨形四膜虫是具有毒性的,但是其机制还需要更进一步的研究探索以及验证。     

基于纳米金光学性质的分子检测与应用

纳米金颗粒是近年研究最为广泛的纳米材料之一,它具有良好的生物相容性、化学稳定性以及独特的光学性质,在生物分子检测、诊断和治疗方面具有很大的发展潜力。尤其是纳米金显示出特殊的表面等离子体共振现象,导致了粒子表面产生强电磁场,并最终增强了诸如吸收和散射的辐射特性,其散射光强与粒子的尺寸和团聚状态有密切关系。而由于共振现象而产生的纳米金对光的强烈吸收并高效转换为热效应也被用于检测和治疗。此外,与纳米金尺寸相关的局域表面等离子体共振光学特性,能够在粒子附近产生很强的电磁场增强,从而构成表面增强拉曼散射的基础。纳米金在强光照射下也表现出良好的抗光漂白的荧光现象,其特有的荧光寿命也成为检测的一种有效手段。与其他荧光物质作用时,又表现出表面增强荧光特性以及荧光共振能量转移。综述中,在介绍纳米金这些特殊光学性质的基础上,回顾了其在生物分子检测方面的应用进展。     

纳米颗粒抗菌机理的研究进展

随着具有抗菌效应的纳米颗粒被大量报道,纳米颗粒的抑菌杀菌机理也成为重要的研究领域并取得一定进展,本文综述了常见纳米颗粒作用机理的研究进展。当前大多数实验表明,纳米颗粒引起细胞膜的破坏是其抗菌抑菌效应的主要原因,结合已有研究,作者提出,纳米颗粒抑菌杀菌分为四个阶段:同细胞的接触、与细胞膜的相互作用及对膜的破坏、胞内杀菌和细菌死亡。文中重点分析探讨了纳米颗粒同细菌细胞膜作用过程中一些待解答的基础性问题。最后通过比较发现,纳米颗粒同抗生素作用方式相异,而与抗菌肽的作用模式相近,细菌对纳米颗粒较难产生耐药性,这对当前治疗耐药菌株的感染有良好的前景。     

原子力显微镜在测定颗粒与细胞相互作用中的应用

凭借独特的尺寸效应和理化性质,纳微颗粒在生物医药领域的应用日益广泛,其与细胞的相互作用也备受关注,对其进行定量测量和机制研究愈发重要。目前,原子力显微镜(atomic force microscopy,AFM)由于具有高灵敏度(皮牛级)、高分辨率(纳米级)以及在生理环境中可进行实时检测等优势成为检测颗粒与细胞相互作用的重要工具。利用AFM检测颗粒与细胞相互作用,有助于确定作用过程中的重要参数,解释颗粒在药物递送、免疫响应和细胞力学等应用方面深层次的机制。本文中,笔者就原子力显微镜检测颗粒与细胞相互作用及其应用进行系统的综述,并对其未来的发展方向进行展望。     

ZnO和CuO纳米颗粒对废水生物处理的影响及缓解毒性的研究进展

ZnO和CuO纳米颗粒(nanoparticles, NPs)在研究、医学和工业等领域的广泛使用,已引起人们对其生物安全性的忧虑。相关学者已在污水处理系统中检测到ZnO NPs和CuO NPs,由于其独特的理化性质,低含量NPs就对微生物群落结构和生长代谢产生毒性,进而影响污水脱氮的稳定运行。本文综述了ZnO NPs和CuO NPs对生物脱氮系统中相关功能细菌的毒性及机制,并总结了通过调节水环境因素(如pH值、离子强度、离子类型和天然有机物等)缓解ZnO NPs和CuO NPs的细胞毒性,以期为今后缓解和应急调控金属纳米颗粒(metal oxide nanoparticles, MONPs)对污水处理系统的冲击提供理论基础和支撑。     

医用纳米金属及其氧化物的制备、性能与抗菌应用研究进展

抗生素在临床抗菌中发挥越来越重要作用,然而,其滥用也带来了毒副反应、出现耐药病原、免疫力降低等问题,临床亟需新的抗菌方案。近年来,纳米金属及其氧化物由于广谱抗菌活性而受到广泛关注,纳米银、纳米铜、纳米锌及其氧化物等逐渐应用于生物医用领域。本文介绍了纳米金属材料分类和导电、超塑延展、催化、抗菌等基本性能;概述了物理法、化学法和生物法等常见制备技术;总结了细胞膜、氧化应激、破坏DNA和降低细胞呼吸等4种主要抗菌机理;并综述了纳米金属及其氧化物的尺寸、形状、浓度和表面化学特性对抗菌有效性的影响以及细胞毒性、遗传毒性、生殖毒性等生物安全性的研究现状。尽管目前纳米金属及其氧化物已在医用抗菌、癌症治疗等临床领域得到应用,但诸如绿色制备工艺开发、抗菌机理完善、生物安全性改进以及应用领域拓展仍有待深入探索。     

基于扫描离子电导显微镜负反馈扫描控制技术的高分辨率膜片钳技术

细胞膜表面精细结构中的离子通道具有重要的生理功能。为了克服目前利用光学显微镜进行微电极定位的传统膜片钳技术分辨率的不足,本实验室将扫描离子电导显微镜技术(scanning ion conductance microscopy,SICM)与商用膜片钳技术相结合,构建了基于SICM负反馈扫描控制技术的高分辨率膜片钳技术。我们首先运用SICM负反馈技术控制纳米尺度玻璃微探针进行活体细胞表面的非接触扫描,获得细胞膜表面微结构的高分辨率成像,而后运用SICM负反馈控制技术操控该微探针在细胞膜表面非接触地移动并将其精确定位于扫描成像中感兴趣的膜表面纳米尺度微结构上方,最后利用该微探针作为膜片钳记录电极实现对此微结构的高分辨率电生理信号记录。为了检验该技术实现高分辨率离子通道记录的能力,分别在活体单层膜犬肾上皮(MDCK)细胞膜的微绒毛、细胞间的紧密连接等纳米尺度微结构上进行了细胞贴附式离子通道记录,结果显示MDCK细胞膜微绒毛的离子通道在钳制电压(pipette holding potential)为-100、-60、-40、0、+40、+60、+100mV条件下处于开放状态,而MDCK细胞间的紧密连接处在钳制电压为-100、-40、0、+40、+100mV条件下未检出有离子通道开放动作。结果提示,我们构建的高分辨率膜片钳技术实现了微探针的准确定位及特定纳米尺度微结构上的高分辨率膜片钳记录,为活体生物样品表面离子通道的空间分布及其功能研究提供了一种有效的工具。     

基于HA修饰的CoFe2O4-TiO2纳米颗粒体外PDT灭活HL60细胞的试验研究

通过水热法和表面修饰法制备了以Co Fe₂O₄为内核、Ti O₂为外壳、用透明质酸修饰的HA@Co Fe₂O₄-Ti O₂。利用场发射扫描电子显微镜(SEM)成像、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子谱(XPS)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)以及傅里叶变换红外光谱(FTIR)对复合纳米颗粒的理化性质进行表征。用细胞计数试剂(CCK-8)法研究HA@Co Fe₂O₄-Ti O₂复合纳米颗粒在暗室条件下对白血病HL60细胞的毒性，以及在光照条件下的光动力疗法(PDT)灭活效果。结合复合纳米颗粒的荧光光谱(FS)、细胞内活性氧(ROS)产量和摄取纳米颗粒水平分析，初步探究Co Fe₂O₄和透明质酸与Ti O₂结合影响PDT灭活HL60细胞的作用机制。试验结果表明，HA@Co Fe₂O     

综述——纳米材料在组织工程中的应用：磁性纳米材料在组织工程研究中的应用

磁性纳米材料因其独特的理化性质在组织工程研究中被广泛地应用．本文主要从磁性纳米材料的表面化学活性、磁学性质以及生物应用磁性纳米材料的主要合成方法等几方面,综述了近年来利用磁性纳米材料设计组织工程支架材料的相关研究进展,包括纳米条件下的生长因子及相关基因的包裹和释放、机械力学刺激、干细胞追踪以及细胞图案化．     

细胞穿透肽:一种新型非病毒载体

细胞膜的选择通透性对维持细胞内环境的稳定起着非常重要的作用,但细胞膜的这种特性限制了一些生物大分子和药物进入细胞内,不利于对一些细胞内疾病的诊断和药物靶向治疗的应用。如何将一些具有诊断和治疗潜力的生物大分子、药物通过细胞膜进入细胞内一直是医学界研究的热点和难点。细胞穿透肽是一类能够携带多肽、蛋白质、核酸、纳米颗粒、病毒颗粒及药物等穿过细胞膜进入细胞,导致完整载物内化的短肽,为生物大分子和药物进入细胞内部提供了有力的运载工具,其作为载体具有的高转导效率和低毒性特点,已经得到了广泛关注和大量研究。目前,细胞穿透肽作为生物分子和药物细胞内化的运载体已经在荧光成像,肿瘤治疗,抗炎治疗及药物靶向治疗中发挥了潜在的诊断和治疗作用,显示出其诱人的应用前景。     

聚乙二醇介导鹅掌楸悬浮细胞与CdSe／ZnS量子点纳米颗粒共孵育的互作特征

利用纳米材料介导的药物靶向治疗和动物细胞转基因等相关研究,日益受到人们的关注．但植物因存在细胞壁的障碍,无论原位还是离体细胞培养条件下,利用纳米技术进行基因转移均存在很大难度．因此设想,如通过纳米颗粒材料物理尺寸的改变和表面化学修饰,能改变纳米颗粒与植物细胞壁界面上的生物物理或生物化学特征,从而有利于纳米颗粒材料穿越植物细胞壁进入植物细胞,将对推动纳米技术在植物转基因领域中的应用产生重要意义．根据以上设想,研究了不同的共孵育时间和温度等条件下,杂交鹅掌楸的胚性悬浮细胞与经不同表面化学修饰的CdSe／ZnS纳米颗粒之间相互作用过程的细胞生物学特征,以及CdSe／ZnS量子点的细胞毒性．结果表明,在共孵育后3h以内,激光共聚焦显微镜和电子扫描显微镜下,均可观察到经表面后修饰带正电荷的CdSe／ZnS纳米颗粒．同时,胞吞进入细胞内部的表面携带正电荷的CdSe／ZnS纳米颗粒的量明显与共培养时间、温度有明显的依赖关系,表明它们可以通过细胞的液相胞吞作用进入杂交鹅掌楸细胞内,且不影响细胞的活性;而表面带负电荷的CdSe／ZnS纳米颗粒则主要聚集在细胞外壁附近．在培养溶液中添加20％（质量比）聚乙二醇,可进一步提高鹅掌楸细胞胞吞CdSe／ZnS纳米颗粒的量和减轻CdSe／ZnS纳米颗粒的细胞毒性．本研究表明,以表面携带正电荷的CdSe／ZnS量子点纳米材料作为基因载体,在植物悬浮细胞的转基因研究和应用中具有广泛的前景．     

原子力显微镜 (AFM) 在细菌生物被膜研究中的应用

原子力显微镜(AFM)作为一项重要的表面可视化技术,以其独特的优势(纳米级的空间分辨率、皮牛级力灵敏度、免标记、可在溶液环境下工作)被广泛应用于生物被膜的研究。AFM不仅可以在近生理环境下对生物被膜表面超微形貌进行可视化表征,同时还可以通过纳米压痕对生物被膜的机械特性(弹性和粘性)进行定量测量,利用AFM单细胞和单分子力谱技术可以获得生物被膜形成过程中细胞-基底以及细胞-细胞之间的相互作用力,为生物被膜的实时原位系统研究提供了可行性。本文简述了AFM的基本操作原理,综述了近年来AFM用于生物被膜表面超微结构成像、机械特性测量以及相互作用力研究方面的进展,并对AFM在生物被膜研究中面临的问题和未来的发展方向进行了讨论。     

掺铁TiO2纳米颗粒与恒定磁场对HL60白血病肿瘤细胞的灭活效果

通过研究不同浓度、不同磁场作用下TiO2、掺铁TiO2纳米颗粒对HL60白血病细胞活性的影响,以及在接受光照和不接受光照条件下的细胞活性,探讨基于TiO2、掺铁TiO2纳米颗粒作为光敏剂的光动力疗法(PDT)灭活白血病肿瘤细胞的可行性.实验结果表明,纳米颗粒对细胞具有一定的抑制/毒性作用,纳米浓度越大,抑制/毒性作用越明显;磁场对细胞的毒性/抑制作用跟掺铁的浓度以及磁感应强度有关,掺铁纳米组在强磁场作用下对细胞抑制/毒性作用明显;此外,添加了纳米颗粒的PDT灭杀效率要比不添加纳米颗粒的PDT灭杀效率高.     

纳米二氧化钛对植物有益蜡样芽胞杆菌存活能力的影响

以生物活体为主要成分的植物病害生防制剂在自然环境中的存活能力受各种非生物因素的影响,其中包括环境中的纳米颗粒对微生物的影响。研究发现植物有益蜡样芽胞杆菌(Bacillus cereus 905)受纳米颗粒影响而存活率明显降低。二氧化钛表面产生的.OH和其他活性氧如H2O2、O2-.等都参与了灭菌作用。     

表面电荷对阳离子基因载体的影响

阳离子基因载体表面带有大量正电荷,由于许多DNA和细胞膜表面带负电荷,因此阳离子基因载体表面电荷有利于提高结合DNA的效率,纳米粒子与细胞膜的吸附也受粒子表面电荷的影响。同时,其表面电荷也是产生细胞毒性的主要原因之一,因此揭示细胞毒性及其作用机制有利于开发出更安全高效的基因递送载体。本文综述了阳离子基因载体表面电荷对DNA结合能力、细胞摄入、转染效率以及细胞毒性及其作用机制的影响。