四氧化三铁纳米颗粒的代谢过程研究

阅读量：

676

摘要：

纳米材料在生物体内的吸收,分布,代谢与排泄等行为,对其安全性评价以及在医学领域中的应用至关重要,也是纳米毒理学研究最基本和最重要的任务,但在分析技术上也面临着各种挑战.四氧化三铁纳米颗粒(Fe3O4nanoparticles,Fe3O4NPs)具有低毒性,良好的生物相容性,生物可降解性,强磁性和催化性能,并可以通过多功能修饰进行多模态成像,因此在纳米医学领域有巨大的应用潜力,有望用于增强核磁共振成像造影,组织修复,免疫分析,热疗,药物载体等方面.但受分析方法学的制约,Fe3O4NPs在体内的代谢行为研究尚比较粗浅.虽然已有研究通过观测暴露后的磁学效应衰减,电镜下的电子密度和形貌变化,以及血液外源性Fe含量先下降再回升等现象,给出了Fe3O4NPs在生物体内降解的间接证据,但未能全面揭示其降解过程的诸多细节,包括Fe元素的化学形态变化,细胞内存储形式,代谢相关的关键蛋白以及代谢产物的体内转运等等.而实现对Fe3O4NPs代谢行为的多尺度,多参数研究,对Fe3O4NPs在纳米医学领域中的应用及其安全性评价具有重要意义. 本文在基于同位素标记技术研究纳米材料体内分布的基础上,建立了"免疫电镜/扫描透射软X射线显微成像.X射线吸收近边结构谱/纳米二次离子质谱"(IEM/STXM-XANES/Nano-SIMS)联用技术,在亚细胞层面实现了纳米材料代谢的原位研究,并为三种技术的联用研制了通用的样品载网;发展了固相免疫(SPI)/LA-ICP-MS联用技术,并结合SEC-UPLC-ICP-MS技术,实现了代谢相关蛋白与代谢元素同位素的同时定量.通过方法学创新,本文以小鼠为受试生物模型,研究了Fe3O4NPs在肝组织细胞内的代谢过程,并研究了其代谢产物经血液的体内再分布.取得的主要成果包括: 1.使用稳定同位素57Fe富集铁粉作为前体,成功合成了57Fe丰度高达95.5%的57Fe3O4NPs,可以作为示踪剂实现外源性Fe在体内的代谢过程分析.采用放射性同位素64Cu和59Fe分别实现了表面与内核标记,通过对比两种放射性标记在体内研究的实用性和可靠性,证明10%Fe3O4NPs的降解会导致约70%表面放射性标记脱落,提出放射性标记的稳定性测试需要进行溶酶体模拟液(Phagolysosomal simulant fluid,PSF)条件下的模拟实验,并对表面放射性标记策略提出了优化方案. 2.成功设计并制备了可提供定位信息,透射电子束和X射线并能承受离子束轰击的样品架,建立了IEM/STXM-XANES/Nano-SIMS联用技术,实现了对同一感兴趣区域Fe的原位分布,化学形态以及内外源信息的分析.证明经静脉注射进入体内的57Fe3O4NPs主要被肝血窦中的Kupffer细胞吞噬,并在胞内的吞噬溶酶体中降解,多技术原位化学形态及同位素比值分析结果表明,溶酶体内的57Fe3O4NPs会溶出并发生Fe(Ⅱ)向Fe(Ⅲ)的氧化,其降解产物主要以铁蛋白形式储存在Kupffer细胞中,可能发生向肝实质细胞扩散,并逐渐从肝组织中清除. 3.将SPI/LA-ICP-MS联用技术与SEC-UPLC-ICP-MS结合,用于研究Fe3O4NPs代谢产物在血液中的再分布过程.对样品进行同位素比值分析,发现转铁蛋白(Transferrin,Tf)中57Fe/56Fe比例逐渐由高降低,说明57Fe3O4NPs降解产物主要以血清Tf形式从肝组织进入外周血液;血清中铁蛋白(Serum ferritin,SF)中57Fe/56Fe比例逐渐由低升高,说明SF并非是肝组织向外周血的主要铁转运载体;注射后1～7天代谢产物转运至骨髓储存,14～28天用于红细胞生成,并以Hb结合形态进入血液. 本工作利用多技术联用手段实现了在组织及细胞水平对Fe3O4NPs体内代谢过程的系统研究,为Fe3O4NPs代谢相关的各个环节和要素提供直接实验证据支撑.本研究所建立的分析方法体系及开展的应用研究,代表了运用多技术联用手段进行纳米材料代谢研究的最前沿成果,对纳米材料毒理学研究和安全性评价具有重要的指导意义.

展开

关键词：

四氧化三铁纳米颗粒 肝组织细胞 代谢过程 同位素标记

年份：

2020