許筱晗,馬 龍

(1. 武漢外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，湖北 武漢 430015; 2. 武漢大學(xué) 化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072)

碳納米材料與線粒體的相互作用

許筱晗1,馬 龍2*

(1. 武漢外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，湖北 武漢 430015; 2. 武漢大學(xué) 化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430072)

碳納米材料包括富勒烯、碳納米管、石墨烯及其衍生物等。本文對(duì)碳納米材料的基本性質(zhì)、生物應(yīng)用以及在線粒體層面的相互作用進(jìn)行了較為全面的介紹。為這類納米材料在環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的安全應(yīng)用提供了較為綜合的認(rèn)識(shí)。

碳納米材料；線粒體；生物效應(yīng)

隨著納米科技的發(fā)展，碳納米材料如富勒烯及其衍生物、碳納米管、碳納米線、石墨烯、石墨烯量子點(diǎn)、碳點(diǎn)等，逐漸進(jìn)入人們的視野。因?yàn)榫哂袃?yōu)異的光學(xué)性能、較好的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的生物相容性，這類材料被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、建筑、材料、電子、光學(xué)、化工、生物醫(yī)學(xué)、食品和化妝品等領(lǐng)域。尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，有關(guān)碳納米材料在醫(yī)學(xué)成像、疾病診斷、藥物傳輸、基因檢測(cè)、癌癥治療等層面的應(yīng)用和研究也在飛速發(fā)展。伴隨與生物體系的相互作用，碳納米材料可能會(huì)帶來(lái)某些正面的和負(fù)面的生物效應(yīng)，而這也成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。線粒體是一種存在于大多數(shù)真核細(xì)胞中由雙層膜封閉式包被的產(chǎn)能細(xì)胞器，有細(xì)胞的“power house”之稱。線粒體參與了細(xì)胞內(nèi)許多重要的生理活動(dòng)，包括三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)合成、Ca2+穩(wěn)態(tài)維持、活性氧的產(chǎn)生和清除、細(xì)胞凋亡蛋白酶的激活以及程序性細(xì)胞死亡的調(diào)節(jié)。因此，線粒體在生長(zhǎng)發(fā)育、代謝、衰老、疾病、死亡以及生物進(jìn)化等諸多方面發(fā)揮重要的作用[1]。越來(lái)越多的研究表明，線粒體可能是納米材料重要的靶向細(xì)胞器，線粒體的形態(tài)損傷和功能障礙是許多納米材料的毒性機(jī)理之一[2]。

1 線粒體概述

在動(dòng)物、植物細(xì)胞中，線粒體的形態(tài)多種多樣，光學(xué)顯微鏡觀察下一般呈線狀，也有粒狀或短線狀。但其基本結(jié)構(gòu)均由內(nèi)外雙層膜包被而成，外膜平展包圍整個(gè)細(xì)胞器，通透性較高；內(nèi)膜向內(nèi)折疊延伸形成嵴，通透性較低。線粒體是一種高度動(dòng)態(tài)的細(xì)胞器，其在細(xì)胞內(nèi)的分布與細(xì)胞內(nèi)的能量需求息息相關(guān)。能量需求集中的區(qū)域線粒體分布密集，反之分布較少。在真核生物中，線粒體通過(guò)氧化磷酸化將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)換為直接能源ATP，這個(gè)過(guò)程主要分為兩步：(1)在糖酵解和三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle, TCA循環(huán))過(guò)程中產(chǎn)生NADH和FADH2等高能分子；(2)氧化磷酸化產(chǎn)生ATP。上述的過(guò)程受到線粒體轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)節(jié)。真核細(xì)胞線粒體擁有自身的遺傳物質(zhì)雙鏈環(huán)狀線粒體DNA，它們可以與一系列蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白復(fù)合體，并包裝折疊成類似原核生物擬核的結(jié)構(gòu)(線粒體擬核)[3]。雖然線粒體擬核分布在整個(gè)線粒體基質(zhì)中，但是其會(huì)定位于線粒體內(nèi)膜，并編碼氧化磷酸化系統(tǒng)。線粒體內(nèi)膜上包含參與氧化磷酸化的電子傳遞鏈(electron transport chain, ETC)，也稱作呼吸鏈。TCA循環(huán)氧化產(chǎn)生的NADH脫氫形成H+和高能電子，H+跨內(nèi)膜定向位移，產(chǎn)生跨膜質(zhì)子電化學(xué)梯度，高能電子進(jìn)入ETC傳遞[4]。內(nèi)膜兩側(cè)產(chǎn)生的電化學(xué)梯度驅(qū)動(dòng)氧化磷酸化過(guò)程而參與ATP的合成。

圖1 線粒體活性氧的產(chǎn)生[7]

Fig.1 Generation of reactive oxygen species in mitochondrion[7]

機(jī)體存在兩類抗氧化防御機(jī)制來(lái)減緩氧化應(yīng)激，一類是酶促清除系統(tǒng)，主要有超氧化物歧化酶(superoxide dismutase， SOD)、過(guò)氧化氫酶(catalase，CTA)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GR)和谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)。另一類是非酶促清除系統(tǒng)主要指體內(nèi)可以保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的抗氧化物質(zhì)，如谷胱甘肽(glutathione，GSH)、維生素E和維生素C、各種類胡蘿卜素和類黃酮。正常條件下，通過(guò)細(xì)胞中的酶促和非酶促系統(tǒng)維持細(xì)胞內(nèi)ROS的平衡。而當(dāng)抗氧化防御系統(tǒng)的作用減弱時(shí)，就會(huì)有過(guò)量的ROS產(chǎn)生，導(dǎo)致生物大分子如蛋白質(zhì)、單糖、DNA和脂質(zhì)的氧化損傷[11]。過(guò)量的ROS會(huì)削弱呼吸鏈中的酶的功能，進(jìn)而導(dǎo)致線粒體功能紊亂、線粒體生物合成的減少和廣泛的病理特征如衰老、各種代謝疾病和神經(jīng)退行性疾病[12]。

2 碳納米材料與線粒體相互作用

2.1 富勒烯和富勒醇

越來(lái)越多的研究表明，線粒體是富勒烯類材料毒理機(jī)制的重要靶標(biāo)。很早之前，F(xiàn)oley等利用放射性標(biāo)記方法，通過(guò)熒光顯微鏡觀察一種水溶性富勒烯衍生物(C61(CO2H)2·C60)在細(xì)胞內(nèi)分布的情況，發(fā)現(xiàn)其穿過(guò)細(xì)胞膜后優(yōu)先與細(xì)胞內(nèi)的線粒體結(jié)合[13]。Chirico等也報(bào)道了羧基富勒烯(CF)進(jìn)入人角質(zhì)形成細(xì)胞后，富集于線粒體內(nèi)。并且CF可以通過(guò)清除自由基從而保護(hù)細(xì)胞免于紫外輻射(UVB)誘導(dǎo)的凋亡[14]。關(guān)于納米材料對(duì)線粒體功能的影響也并不少見(jiàn)。富勒醇可以抑制ADP誘導(dǎo)的大鼠肝臟線粒體解偶聯(lián)，并顯著降低線粒體Mg2+-ATPase和氧化磷酸化活性[15]。Nakagawa等也提出線粒體是富勒醇(C60(OH)n, n=12, 24)的靶細(xì)胞器，通過(guò)研究富勒醇與新鮮分離的大鼠肝細(xì)胞以及離體線粒體的作用，發(fā)現(xiàn)富勒醇可以誘導(dǎo)線粒體MPT和線粒體去極化，抑制ATP合成以及GSH和蛋白質(zhì)巰醇的氧化，并造成氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的脂質(zhì)過(guò)氧化，最終對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性作用。并且富勒醇的細(xì)胞毒性還與羥基數(shù)量有關(guān)[16]。Santos 等也研究了C60和C60(OH)18-22對(duì)大鼠肝臟細(xì)胞離體線粒體的作用，發(fā)現(xiàn)它們會(huì)影響線粒體的磷酸化系統(tǒng)和電子傳遞鏈(如圖2)。其中，C60增加了線粒體膜通透性，而較高濃度的C60(OH)18-22會(huì)抑制F0F1-ATP合成酶的活性。并且它們對(duì)線粒體磷酸化循環(huán)呈現(xiàn)出截然相反的效果[17]。楊立云等發(fā)現(xiàn)C60(OH)44會(huì)破壞大鼠肝臟離體線粒體的超微結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)線粒體MPT和干擾正常的呼吸功能[18]。這些結(jié)果顯示了富勒烯納米粒子的表面化學(xué)性質(zhì)是影響線粒體的重要因素之一。此外，富勒烯羧酸衍生物(C60-COOH)表現(xiàn)出對(duì)線粒體動(dòng)力學(xué)的調(diào)控作用。脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)刺激DsRed2-mito轉(zhuǎn)染的BV-2小膠質(zhì)細(xì)胞導(dǎo)致過(guò)量的線粒體裂變，誘導(dǎo)發(fā)動(dòng)相關(guān)蛋白1(dynamin-relatedprotein1, Drp-1)轉(zhuǎn)向線粒體。而C60-COOH不僅可以抑制LPS誘導(dǎo)的線粒體裂變，也可以抑制LPS誘導(dǎo)的DRP1的易位，但是具體機(jī)制目前還不明確[19]。

圖2 幾種富勒烯與線粒體相互作用的機(jī)理圖[17]

Fig.2 Schematic representation of a mitochondrium: highlighting some aspects of fullerene mitochondria interactions[17]

2.2 碳納米管

眾所周知，碳納米管(CNTs)在重要細(xì)胞器中的積累，可能會(huì)帶來(lái)細(xì)胞毒性和基因毒性。最近，Naserzadeh 等研究了SWCNT和MWCNT對(duì)大鼠皮膚細(xì)胞的毒性作用，結(jié)果顯示線粒體活性被抑制、ROS水平升高和膜電勢(shì)坍塌，而ATP水平的降低也表明這兩種碳管干擾了線粒體的氧化磷酸化。同時(shí)，由于線粒體外膜破裂或者M(jìn)PT孔開(kāi)放而引起細(xì)胞色素c的釋放，最終造成細(xì)胞程序性死亡。有趣的是，較之于對(duì)細(xì)胞的毒性，SWCNT對(duì)線粒體的損傷程度卻更大[20]。之前就有文獻(xiàn)報(bào)道，MWCNT在小鼠精母細(xì)胞細(xì)胞(GC-2spd)的線粒體中積累，從而引起細(xì)胞中線粒體DNA的損傷。此外MWCNT處理組細(xì)胞的線粒體相關(guān)基因的表達(dá)水平、耗氧量和細(xì)胞ATP含量均低于對(duì)照組[21]。MWCNT也可以誘導(dǎo)釀酒酵母中線粒體膜電勢(shì)的下降和細(xì)胞色素c的釋放，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[22]。而SWCNT可以通過(guò)與細(xì)胞色素c相互作用影響線粒體的功能。SWCNT進(jìn)入細(xì)胞后定位于線粒體并與細(xì)胞色素c作用，造成細(xì)胞色素c的減少及其氧化還原活性的降低，從而減弱其電子轉(zhuǎn)移，最終導(dǎo)致線粒體呼吸鏈被破壞，線粒體耗氧量降低，ATP生成受到影響[23]。

2.3 石墨烯

許多研究表明，石墨烯可以通過(guò)誘導(dǎo)線粒體功能障礙而引起細(xì)胞毒性。原始石墨烯可以誘導(dǎo)RAW 264.7細(xì)胞中線粒體去極化和活性氧的大量產(chǎn)生，最終造成線粒體途徑依賴的細(xì)胞死亡[24]。類似地，氧化石墨烯(GO)和羧基化的石墨烯納米片(CXYG)被Hep G2細(xì)胞內(nèi)化后，引起線粒體膜去極化，并且細(xì)胞內(nèi)線粒體的數(shù)量也有所減少[25]。Gurunathan等利用黃海芽孢桿菌生物質(zhì)作為還原劑和穩(wěn)定劑制備的水溶性石墨烯(B-rGO)，引起MCF-7細(xì)胞中非解偶聯(lián)狀態(tài)和解偶聯(lián)狀態(tài)下線粒體的耗氧量增加以及膜電勢(shì)損耗，最終激活線粒體途徑引發(fā)細(xì)胞凋亡[26]。在研究石墨烯對(duì)小鼠肺泡巨噬細(xì)胞MHS的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，GO能夠增加線粒體呼吸鏈復(fù)合物I/III的活性以及對(duì)電子傳遞鏈的位點(diǎn)I/II的電子供應(yīng)，從而加速了線粒體呼吸副產(chǎn)物ROS的產(chǎn)生，因此造成MHS細(xì)胞發(fā)生凋亡。而原始石墨烯并沒(méi)有產(chǎn)生這樣的結(jié)果[27]。除此之外，Zhang等選擇線蟲(chóng)作為體外模型，研究了壓力條件下聚乙二醇-聚-L-賴氨酸修飾的氧化石墨烯(GO/PP)的毒理機(jī)制(如圖3)。研究發(fā)現(xiàn)，由GO介導(dǎo)的OH·的形成和細(xì)胞色素c/過(guò)氧化氫電子傳遞的加劇可以誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，損害線粒體呼吸鏈，最終導(dǎo)致細(xì)胞毒性[28]。

圖3 氧化石墨烯在體內(nèi)不同病理生理?xiàng)l件下表現(xiàn)出應(yīng)激誘導(dǎo)毒性[28]

Fig.3 Graphene oxide shows stress-induced toxicity properties in vivo under different pathophysiological conditions[28]

3 展望

碳納米材料是納米材料的重要分支之一。碳納米材料所具有的豐富多彩的結(jié)構(gòu)和形態(tài)以及獨(dú)特的性質(zhì)，使其在眾多領(lǐng)域有著十分誘人的應(yīng)用前景。而對(duì)這些材料在活體、組織、細(xì)胞或者生物大分子層面的生物效應(yīng)研究，是此類材料在生物醫(yī)學(xué)和其他領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。線粒體由于其提供細(xì)胞生理活動(dòng)的能量，對(duì)離子穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞凋亡和壞死等環(huán)節(jié)的信號(hào)作用等，在毒理學(xué)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。碳納米材料與線粒體的相互作用一方面可能會(huì)影響細(xì)胞的生理功能，另一方面也可能會(huì)改變納米材料的生物應(yīng)答等。綜合來(lái)看，當(dāng)一個(gè)研究對(duì)象足夠小時(shí)，宏觀的描述方法可能不夠準(zhǔn)確，需要更深層次的研究來(lái)揭示其微觀的機(jī)理。碳納米材料的生物效應(yīng)是非常復(fù)雜的，僅從某一個(gè)角度或者層次來(lái)探討納米材料的生物效應(yīng)都具有一定的局限性，這時(shí)，探索碳納米材料對(duì)線粒體結(jié)構(gòu)和功能的影響，從更多角度來(lái)認(rèn)識(shí)碳納米材料在亞細(xì)胞層面的生物效應(yīng)，對(duì)其在細(xì)胞層面作用提供更全面的科學(xué)指導(dǎo)。

[1] Bhatti J S, Bhatti G K, Reddy P H. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in metabolic disorders - A step towards mitochondria based therapeutic strategies[J]. Biochimica Et Biophysica Acta, 2017, 1863(5): 1066-1077.

[2] Ou L, Song B, Liang H, et al. Toxicity of graphene-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanisms[J]. Particle and Fibre Toxicology, 2016, 13(1): 57.

[3] Chen X J, Butow R A. The organization and inheritance of the mitochondrial genome [J]. Nature Reviews Genetics, 2005, 6(11): 815-825.

[4] Andreyev A Y, Kushnareva Y E, Starkov AA. Mitochondrial metabolism of reactive oxygen species [J]. Biochemistry, 2005, 70(2): 200-214.

[5] Dallner G, Sindelar P J. Regulation of ubiquinone metabolism [J]. Free Radical Biology amp; Medicine, 2000, 29(3-4): 285-294.

[6] Murphy M P. How mitochondria produce reactive oxygen species [J]. Biochemical Journal, 2009, 417: 1-13.

[7] Valko M, Rhodes C J, Moncol J, et al. Free radicals, metals and antioxidants in oxidative stress-induced cancer [J]. Chemico-Biological Interactions, 2006, 160(1): 1-40.

[8] Apel K, Hirt H. Reactive oxygen species: Metabolism, oxidative stress, and signal transduction [J]. Annual Review of Plant Biology, 2004, 55:373-399.

[9] Droge W. Free radicals in the physiological control of cell function [J]. Physiological Reviews, 2002, 82(1): 47-95.

[10] Valko M, Leibfritz D, Moncol J, et al. Free radicals and antioxidants in normal physiological functions and human disease [J]. International Journal of Biochemistry amp; Cell Biology, 2007, 39(1): 44-84.

[11] Thiru A, Ashokan K, Chandramohan S, et al. Regulation of ROS defense system by Hybanthus enneaspermus in CCl4 induce cardiac damage [J]. Pakistan Journal of Pharmaceutical Sciences, 2015, 28(4): 1397-1399.

[12] Jové M, Porterootín M, Naudí A, et al. Metabolomics of human brain aging and age-related neurodegenerative diseases [J]. Journal of Neuropathology amp; Experimental Neurology, 2014, 73(7): 640-657.

[13] Foley S, Crowley C, Smaihi M, et al. Cellular localisation of a water-soluble fullerene derivative [J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2002, 294(1): 116-119.

[14] Chirico F, Fumelli C, Marconi A, et al. Carboxyfullerenes localize within mitochondria and prevent the UVB‐induced intrinsic apoptotic pathway [J]. Experimental Dermatology, 2007, 16(5): 429-436.

[15] Wang H W. Suppression of microsomal cytochrome P450-dependent monooxygenases and mitochondrial oxidative phosphorylation by fullerenol, a polyhydroxylated fullerene C60[J]. Toxicology Letters, 1997, 93(1): 29-37.

[16] Nakagawa Y, Suzuki T, Ishii H, et al. Cytotoxic effects of hydroxylated fullerenes on isolated rat hepatocytes via mitochondrial dysfunction [J]. Archives of Toxicology, 2011, 85(11): 1429-1440.

[17] Santos S M, Dinis A M, Peixoto F, et al. Interaction of fullerene nanoparticles with biomembranes: from the partition in lipid membranes to effects on mitochondrial bioenergetics [J]. Toxicological Sciences, 2014, 138(1): 117-129.

[18] Yang L Y, Gao J L, Gao T, et al. Toxicity of polyhydroxylated fullerene to mitochondria [J]. Journal of Hazardous Materials, 2016, 301:119-126.

[19] Ye S, Tong Z, Cheng K, et al. Carboxylic Acid Fullerene (C60) Derivatives Attenuated Neuroinflammatory Responses by Modulating Mitochondrial Dynamics [J]. Nanoscale Research Letters, 2015, 10(1): 1-12.

[20] Naserzadeh P, Ghanbary F, Seydi E, et al. Mitochondrial oxidative stress and dysfunction induced by single‐ and multi‐wall carbon nanotubes: A comparative study [J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A, 2017, 105(7): 2047-2055.

[21] Xu C, Liu Q, Liu H, et al. Toxicological assessment of multi-walled carbon nanotubes in vitro: potential mitochondria effects on male reproductive cells [J]. Oncotarget, 2016, 7(26): 39270-39278.

[22] Song Z, Zhu B, Huang A, et al. Toxicological effects of multi-walled carbon nanotubes on Saccharomyces cerevisiae : The uptake kinetics and mechanisms and the toxic responses [J]. Journal of Hazardous Materials, 2016, 318: 650.

[23] Ma X, Zhang L H, Wang L R, et al. Single-walled carbon nanotubes alter cytochrome C electron transfer and modulate mitochondrial function [J]. ACS Nano, 2012, 6(12): 10486.

[24] Li Y,Liu Y,Fu Y, et al. The triggering of apoptosis in macrophages by pristine graphene through the MAPK and TGF-beta signaling pathways [J]. Biomaterials, 2012, 33(2): 402-411.

[25] Lammel T, Boisseaux P, Fernández-Cruz ML, et al. Internalization and cytotoxicity of graphene oxide and carboxyl graphene nanoplatelets in the human hepatocellular carcinoma cell line Hep G2 [J]. Particle and Fibre Toxicology, 2013, 10(1): 27.

[26] Gurunathan S, Han J W, Eppakayala V, et al. Green synthesis of graphene and its cytotoxic effects in human breast cancer cells [J]. International Journal of Nanomedicine, 2013, 8(1): 1015-1027.

[27] Duch M C, Budinger G R, Liang Y T, et al. Minimizing oxidation and stable nanoscale dispersion improves the biocompatibility of graphene in the lung [J]. Nano Letters, 2011, 11(12): 5201-5207.

[28] Zhang W, Wang C, Li Z, et al. Unraveling stress-induced toxicity properties of graphene oxide and the underlying mechanism [J]. Advanced Materials, 2012, 24(39): 5391-5397.

(本文文獻(xiàn)格式：許筱晗,馬龍.碳納米材料與線粒體的相互作用[J].山東化工，2017，46(20)：58-60,66.)

TheInteractionBetweenCarbon-basedNanomaterialsandMitochondria

XuXiaohan1，MaLong2*

(1. Wuhan Foreign Languages School, Wuhan 430015, China;2. College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Carbon-based nanomaterials including fullerene, carbon nanotubes, graphene and their derivatives. A comprehensive overview of their basic properties and biological applications, as well as the processes of their subcellular interactions with isolated mitochondria are summarized in this paper. We aim to provide an integrated understanding of bio-behavior of carbon nanomaterials, thus promoting their safety application in environmental and biomedical fields.

carbon-based nanomaterials; mitochondria; biological effects

2017-10-06

許筱晗(1999—)，女，湖北武漢人，高中在讀，業(yè)余從事一些科研活動(dòng)；通信作者：馬 龍(1989—)，河北邢臺(tái)人，博士，主要從事外源性物質(zhì)對(duì)線粒體正常生理功能和結(jié)構(gòu)的影響。

TB383; Q291

A

1008-021X(2017)20-0058-03