研究揭示金纳米棒暴露对细胞代谢影响(什么是纳米生物学)

研究揭示金纳米棒暴露对细胞代谢影响

2016年10月03日讯 近日，中科院武汉物理与数学研究所生物磁共振分析重点实验室的生物医学及代谢组研究团队，在不同表面修饰金纳米棒暴露对细胞代谢影响的研究方面取得新进展，相关研究结果近日发表于《先进保健材料》。

金纳米棒在细胞成像、药物载体以及生物医学诊断和癌症的热疗中有潜在的应用前景。金纳米棒具有独特的物理化学和光学性质，可以通过表面修饰实现多功能，但目前关于其经过不同表面修饰后，影响细胞代谢的机制并不清楚。该所研究员王玉兰、博士柳志刚等，研究了不同表面修饰金纳米棒对来源于人肺腺癌细胞的A549细胞，以及来源于正常人支气管上皮细胞的16HBE细胞的代谢影响。

研究人员将PSS（聚苯乙烯磺酸钠）、PDDAC（聚二烯丙基二甲基氯化铵）和PEI（聚乙烯亚胺）用于修饰金纳米棒，合成后的PSS金纳米棒表面呈负电荷，而PDDAC及PEI修饰的金纳米棒表面呈正电荷。研究发现正电荷与负电荷的金纳米棒引发细胞不同的代谢应答，如这些金纳米棒对A549细胞的毒性作用以及代谢影响明显大于16HBE细胞，而PEI修饰的金纳米棒显示出对A549细胞最大的杀伤作用及代谢紊乱，而对16HBE细胞具有较小的影响。此外，研究还发现阳离子金纳米棒可能会靶向胆碱代谢来杀伤癌细胞。

细胞代谢简介

细胞内发生的各种化学反应的总称，主要有分解代谢和合成代谢两个过程组成。 新陈代谢（metabolism）的概念 新陈代谢是生物体内全部有序化学变化的总称。它包括物质代谢和能量代谢两个方面。物质代谢：是指生物体与外界环境之间物质的交换和生物体内物质的转变过程。 能量代谢：是指生物体与外界环境之间能量的交换和生物体内能量的转变过程。

什么是纳米生物学

纳米生物学

纳米生物学主要包含两个方面：
一，利用新兴的纳米技术来解决研究和生物学问题；
二，利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米科技的最终目的是制造分子机器，而分子机器的启发来源于生物体系中存在的大量的生物大分子，它们被费曼等人看作是自然界的分子机器。从这个意义上说，纳米生物学应该是纳米科技中的一个核心领域。

利用DNA和某些特殊的蛋白质的特殊性质，有可能制造出分子器件。目前研究的热点在分子马达、硅－神经细胞体系和DNA相关的纳米体系与器件。利用纳米技术，人们已经可以操纵单个的生物大分子。操纵生物大分子，被认为是有可能引发第二次生物学革命的重要技术之一。

在生物和医学上的应用
纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径，即利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。关于这方面的研究现在处于初始阶段，但却有广阔的应用前景。

细胞分离
生物细胞分离是生物细胞学研究中一种十分重要的技术，它关系到研究所需要的细胞标本能不能快速获得的关键问题。这种细胞分离技术在医疗临床诊断上有广阔的应用前景。例如，在妇女怀孕8星期左右，其血液中就开始出现非常少量的胎儿细胞，为判断胎儿是否有遗传缺陷,过去常常采用价格昂贵并对人身有害的技术，如羊水诊断等。用纳米微粒很容易将血样中极少量胎儿细胞分离出来，方法简便，价钱便宜，并能准确地判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。美国等先进国家已采用这种技术用于临床诊断。癌症的早期诊断一直是医学界急待解决的难题。美国科学家利贝蒂指出，利用纳米微粒进行细胞分离技术很可能在肿瘤早期的血液中检查出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。同时他们还正在研究实现用纳米微粒检查血液中的心肌蛋白，以帮助治疗心脏病。纳米细胞分离技术将给人们带来福音。以往的细胞分离技术主要采用离心法，利用密度梯度原理进行分离，时间长效果差。80年代初，人们开始利用纳米微粒进行细胞分离，建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术。其基本原理和过程是：先制备SiO2纳米微粒，尺寸控制在15～20nm，结构一般为非晶态，再将其表面包覆单分子层，包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定，一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层。这种Si02纳米粒子包覆后所形成复合体的尺寸约为30nm。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，适当控制胶体溶液浓度。第三步是将纳米SiO2包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，再通过离心技术，利用密度梯度原理，使所需要的细胞很快分离出来。此方法的优点是：
1．易形成密度梯度。纳米包覆体尺寸约30nm，因而胶体溶液在离心作用下很容易产生密度梯度. 2．易实现纳米Sio2粒子与细胞的分离。这是因为纳米SiO2微粒是属于无机玻璃的范畴性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物细胞，也容易把它们分开。

细胞内部染色
细胞内部的染色对用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的一种技术。它在研究细胞生物学中占有极为重要的作用。细胞中存在各种器官和细丝。器官有线粒体、核和小胞腔等。细丝主要有三种，直径约为6—20nm。它们纵横交错在细胞内构成了细胞骨骼体系，而这种组织保持了细胞的形态，控制细胞的变化、运动、分裂、细胞内器官的移动和原生质流动等。未加染色的细胞由于衬度很低，很难用光学显微镜和电子显微镜进行观察，细胞内的器官和骨骼体系很难观察和分辨,为了解决这一问题，物理学家已经发展了几种染色技术。如荧抗体法、铁蛋白抗体法和过氧化物酶染色法等，目的是提高用光学显微镜和电子显微镜观察细胞组织的衬度。随着细胞学研究的发展，要求进一步提高观察细胞内组织的分辨率，这就需要寻找新的染色方法。纳米微粒的出现，为建立新的染色技术提供了新·的途径。最近比利时的德梅博士等人采用乙醚的黄磷饱和溶液、抗坏血酸或者柠檬酸钠把金从氯化金酸(HAuCl‘)水溶液中还原出来形成金纳米粒子，粒径的尺寸范围是3—40nm。接着制备金纳米粒子—抗体的复合体，具体方法是将金超微粒与预先精制的抗体或单克隆抗体混合。这里选择抗体的类型是制备复合体的重要一环，不同的抗体对细胞内各种器官和骨gS组织敏感程度和亲和力有很大的差别。我们可以根据这些差别制备多种金纳米粒子—抗体的复合体，而这些复合体分别与细胞内各种器官和骨骼系统相结合，就相当于给各种组织贴上了标签。由于它们在光 学显微镜和电子显微镜下衬度差别很大，这就很容易分辨各种组织。这就是利用纳米粒子进行细胞染色技术。

大量研究表明，纳米微粒与抗体的结合并不是共价键而是弱库仑作用的离子键，因此制造稳定的复合体工艺比较复杂，但选 择适当条件是可以制造多种纳米微粒一抗体的稳定复合体。细胞染色的原理与金属金的超微粒子光学特性有关。一般来说，超微粒子的光吸收和光散射很可能在显微镜下呈现自己的特征颜色，由于纳米微粒尺寸小，电子能级发生分裂，能级之间的间距与粒径大小有关，由于从低能级的跃迁很可能吸收某种波长的光，纳米微粒的庞大比表面中原子的振动模式与颗粒内部不同，它的等离子共振也会产生对某种波长的光的吸收，纳米粒于与抗体之间的界面也会对某种波长光的吸收产生影响。由于上述几种原因，

金纳米粒子—抗体复合体在白光或单色光照射下就会呈现某种特定的颜色。实验已经证实，对10nm直径以上的金纳米粒子在光学显微镜的明场下可观察到它的颜色为红色。

表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用
磁性纳米粒子表面涂覆高分子，在外部再与蛋白相结合可以注入生物体中，这种技术目前尚在实验阶段，已通过了动物临床 实验。这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物的载体，然后静脉注射到动物体内(小鼠、白兔等)，在外加磁场2125)4 10’／冗(A／m)下通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。这就是磁性超微粒子在药物学应用的基本原理。

这里最重要的是选择一种生物活性剂，根据癌细胞和正常细胞表面糖链的差异，使这种生物活性剂仅仅与癌细胞有亲和力而对正常细胞不敏感，表面包覆高分子的磁性纳米微粒载有这种活性剂就会达到治疗的目的。动物临床实验证实，带有磁性的纳米微粒是发展这种技术的最有前途的对象(纯金屑N5、Co磁性纳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，尺寸约为200nm，这种亚微米级的粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌症的诊断和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少，很可能成为您症的治疗方向。但目前还存在不少的问题，影响这种技术在人体的应用。如何避免包覆的高分子层在生物体中的分解，是今后应该加以研究的问题。

磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验已获成功，显示出了引人注目的应用前景。我们知道，癌症、肿瘤手术后要进行放射性辐照，以杀死残存的癌细胞，但与此同时大面积辐照也会使正常细胞受到伤害，尤其是会使对生命极端重要的具有造血功能和免疫系统的骨髓细胞受损害，所以在辐照治疗前将骨髓抽出，辐照后再重新注入，但在较多的情况下癌细胞已扩散到骨助中，因此在把癌细胞从骨髓液中分离出来是至关重要的，否则将含有癌细胞的骨髓液注回辐照治疗后的骨髓中还会旧病复发。

利用磁性超微粒子分离癌细胞的技术主要采取约50nm的Fe304‘纳米粒子，包覆聚苯乙烯后直径为3μm，用于小鼠骨髓液中癌细胞分离的实验，具体过程如图4-8所示。首先从羊身上取出抗小鼠Fc抗体(免疫球蛋白)，然后与上述磁性粒子的包覆物相结合，如图4-8A所示。将小鼠带有正常细胞和癌细胞的骨髓液取出，加入小鼠杂种产生的抗神经母细胞瘤(尚未彻底分化的癌化神经细胞)单克隆抗体，此抗体只与骨髓液中的癌细胞结合。最后将抗体和包覆层的磁性粒子放入骨髓液中，它只与携带抗体的癌细胞相结合。而利用磁分离装置很容易将癌细胞从骨髓中分离出来，其分离度达99．9％以上。
行了人体骨髓液癌细胞的分离来治疗病患者。

等离子体纳米粒子散射光有没有用？

等离子体纳米粒子散射光是有用的，但其中一些会在表面丢失，科学家们现在开始找出原因。在莱斯大学和美因茨约翰内斯古登堡大学的新实验中，以及普林斯顿大学理论研究中，研究人员发现，单个金纳米棒表面的分子通过改变粒子本身的电子结构，影响其等离子体反应。

这一发现可能会加强催化等应用，包括等离子体驱动化学。等离子体激元是一种电子波纹，当光触发时，它会在金属纳米颗粒表面产生共振。

博科园-科学科普：以一个波长或一种颜色接收到的光，以相同的波长辐射，这可以让研究人员了解粒子及其环境。表面等离子体激元有助于感知化学物质的存在，使光化学和选择性催化化学反应成为可能。但是，粒子表面和研究人员眼睛之间失去的光可以包含以前没有考虑过的额外信息。人们认为等离子体阻尼导致的信号损失是由于化学物质吸附在纳米颗粒表面，可能是由于电荷从金属转移到化学物质。但莱斯大学化学、电气和计算机工程教授斯蒂芬?林克(Stephan Link)怀疑，仅仅一个解释就能适用于所有研究。

《科学进展》(Science Advances)上发表了一项完全不同的机制发现，由y led Link、首席作者本杰明?福斯特(Benjamin Forster)及其同事共同完成。策略是将两种具有不同原子排列的相同大小分子放在单个金纳米棒上进行分析。这些分子，笼状的碳硼烷硫醇，诱导金属表面的偶极子，而这些偶极子又分散了足够多的电浆子能量来减弱它们的信号。这使得研究人员可以直接观察和测量阻尼，而不受其他分子或纳米棒的干扰。硫醇(除了一个碳原子的位置不同外)与纳米棒的接近，导致了独特的偶极矩

分子的正极和负极会改变强度，并像指南针的针一样在金属表面移动。普林斯顿大学工程与应用科学学院(School of Engineering and Applied Science)院长、理论计算科学家艾米丽·卡特(Emily Carter)进行了详细的量子力学计算，以测试能够解释实验的机制。等离子体共振有一个谱宽，和共振波长一起，可以产生特定的颜色。一条窄线会让你看起来更真实。所以观察当把分子放在粒子上时，共振宽度是如何变化的。不是所有的分子都能做到，同样大小的碳硼烷硫醇分子以同样尺寸粘附在金纳米颗粒上，但其化学性质差异足以改变等离子体激元的光谱宽度。

这使得研究人员可以通过每种类型的分子测量等离子体阻尼，而不受其他阻尼机制的干扰。等离子体激元在表面的流动很大程度上取决于粒子大小和形状，因此很少有人注意吸附在表面的化学物质影响。如果改变纳米罗德的表面，能量会以不同的方式流失，我们根本不明白这是怎么回事。但如果某样东西失去了能量，它就不能像你希望的那样工作。周围介质的折射特性以及来自不同大小和形状的多个粒子平均信号也会影响信号，这也使得分析吸附化学物质的影响变得困难。

几个因素决定了等离子体共振的宽度，但每个人都提到了一个没有人真正用定量方法解决过的因素。许多人将其归咎于电荷转移，即被激发的热电子从金属转移到分子中。每次把一个分子放在金属颗粒上，情况可能都不一样，但这让我们第一次有了一个完整的定量研究，同时也不会对界面上的化学成分视而不见。它让我们明白化学是很重要的。这项研究工作是基础性的，研究表示它很漂亮，因为它非常简单，我们把正确的样本、实验、单粒子光谱和先进的理论结合起来，把它们放在一起。

博科园-科学科普｜研究/来自: 莱斯大学

参考期刊文献:《Science Advances 》

DOI: 10.1126/sciadv.aav0704

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纳米气泡对细胞的影响有哪些

影响如下：
1、促进细胞生长：纳米气泡可以提供细小的纳米气泡，使细胞生长得更快，同时提高微生物和细胞活性，从而起到增产、增质的作用，并降低能源消耗。
2、破坏癌细胞：某些纳米气泡可以像“特洛伊木马”一样，利用可穿透数厘米厚组织的红外激光照射“击中”这些金原子，这些纳米簇会瞬间产生巨大热能，将周围的组织液气化，产生一些纳米气泡将癌细胞撕裂或“炸掉”。

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