關(guān)鍵詞 氧化石墨烯; 二氧化錳納米片; 豬流行性腹瀉病毒; 抗病毒活性; 納米治療平臺(tái)
中圖分類號(hào) TB383.1 ; TQ127.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000-2421(2024)03-0267-08
豬流行性腹瀉(porcine epidemic diarrhea,PED)是一種由豬流行性腹瀉病毒(porcine epidemic diarrheavirus,PEDV)感染引起的接觸性腸道傳染病,該病具有高發(fā)病率、高死亡率、能感染任何年齡及生產(chǎn)階段的豬等特點(diǎn)[1]。PEDV 屬于尼多病毒目、冠狀病毒科、冠狀病毒屬,是一種有包膜的單鏈正向RNA病毒[2]。近年來(lái),冠狀病毒在全球范圍內(nèi)的大暴發(fā)引起了廣泛關(guān)注。納米顆粒因其獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性,如比表面積增大、表面活性增強(qiáng)、反應(yīng)特性更好、易于控制藥物釋放和靶向藥物輸送等[3],在抗病毒研究應(yīng)用中取得了快速進(jìn)展。利用納米材料本身特性損傷或殺死病毒[4-5];將抗病毒藥物負(fù)載到納米顆粒中,不僅提高了藥物的生物利用程度,降低了藥物毒性,還可以實(shí)現(xiàn)靶向藥物遞送、精準(zhǔn)釋放、藥效延長(zhǎng)[6];功能化的納米顆??梢蕴禺惏邢蚬鉄釟缣囟ǖ牟《荆?]等。這些研究成果為開(kāi)發(fā)抗病毒感染的新型廣譜納米治療平臺(tái)拓展了思路。
氧化石墨烯(graphene oxide,GO)是由石墨烯氧化剝離得到[8],具有鋒利邊緣帶負(fù)電荷的單層片狀結(jié)構(gòu),表面帶有大量活性氧化基團(tuán),包括環(huán)氧基、羥基、羰基和羧基,材料的親水性和生物相容性提高,易于功能化修飾。此外,GO 已被證實(shí)具有抗病毒活性,其作用機(jī)制主要涉及3 個(gè)方面:一是GO 能通過(guò)靜電力作用和氧化還原反應(yīng)吸附和破壞病毒[9],對(duì)一些帶正電荷,或者衣殼蛋白富含精氨酸且?guī)д姾山Y(jié)構(gòu)域的病毒具有抗病毒活性[10];二是GO 具有鋒利邊緣的單層結(jié)構(gòu),可直接對(duì)病毒造成物理破壞,如Ye等[5]以PEDV 和PRV 為病毒模型,證實(shí)了GO 具有廣譜抗病毒的活性且效果顯著,并指出GO 的抗病毒活性可能取決于其特殊的具有鋒利邊緣的單層結(jié)構(gòu)和表面電荷;三是GO 還具有優(yōu)異的光催化活性,能夠增強(qiáng)ROS 的生產(chǎn),從而直接作用于捕獲的病毒,表現(xiàn)出良好的抗病毒效果。Hu 等[11]利用GO 的光催化特性,制備石墨烯-適配體納米片捕獲并殺死噬菌體,證實(shí)了GO 光催化活性的抗病毒作用。
二氧化錳納米片(MnO2 nanosheets,MnO2 NSs)是一種二維片狀的功能性納米材料,具有穩(wěn)定性好、光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異、比表面積大、生物相容性好等特點(diǎn)[12]。目前對(duì)MnO2 NSs 的研究主要集中在催化、電池以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物傳感器、藥物輸送控釋以及生物成像等方面,但MnO2對(duì)食源性致病菌和動(dòng)物源性病原體的抑制作用研究較少。本研究將GO 與MnO2 NSs 復(fù)合,保留了2 種原材料的本身特性,以期產(chǎn)生協(xié)同增效的抗病毒效果,為抗動(dòng)物源性病毒新型材料的研發(fā)提供技術(shù)支撐。
1 材料與方法
1.1 主要試劑
氯化錳(AR)、無(wú)水乙醇(AR)、甲醇(AR),購(gòu)于天津市百世化工有限公司;單層氧化石墨烯粉末,購(gòu)于南京先豐納米材料科技有限公司,4% 多聚甲醛(AR),購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;噻唑藍(lán)(MTT,BR)、牛血清白蛋白(BSA,BR)、脫脂奶粉、總RNA 提取試劑、RIPA 組織/細(xì)胞裂解液、JC-1 試劑盒,購(gòu)于北京索萊寶科技有限公司;四甲基氫氧化銨(AR)、二甲基亞砜(DMSO,AR),購(gòu)于美國(guó)Aladdin公司;FITC-羊抗鼠二抗、HRP-羊抗鼠二抗,購(gòu)于武漢艾美捷科技有限公司;DMEM 培養(yǎng)基(BR),購(gòu)于美國(guó)賽默飛世爾科技公司。
1.2 GO-MnO2 NSs 的制備
1) 二氧化錳納米片(MnO2 NSs)的制備。在劇烈攪拌下,15 s 內(nèi)將10 mL 0.3 mol/L 氯化錳(MnCl2·4H2O)溶液注入到20 mL 含有0.6 mol/L 四甲基氫氧化銨和3% H2O2的混合水溶液中,溶液立即變成深棕色,表明Mn2+被氧化為Mn4+。將深棕色懸浮液于室溫下劇烈攪拌過(guò)夜,離心、洗滌、干燥后得到塊狀MnO2,利用超聲制備MnO2 NSs,剩余塊狀MnO2于常溫放置,備用。
2)GO-MnO2 NSs 的制備。參照文獻(xiàn)[13]并加以改進(jìn)合成GO-MnO2 NSs。將0.2 g 單層氧化石墨烯粉末分散于30 mL 去離子水中,超聲處理20 min,將0.25 mmol MnCl2·4H2O 在攪拌中慢慢加入,超聲處理1 h,用四甲基氫氧化銨溶液調(diào)節(jié)pH 值至8.5。
在上述2 種溶液中,快速攪拌下滴加0.55 mL 的30% H2O2 溶液,攪拌30 min 后,離心、洗滌,將最終產(chǎn)物烘干,常溫放置,備用。
1.3 細(xì)胞毒性的測(cè)定
將Vero 細(xì)胞接種到96 孔板中,培養(yǎng)至單層后棄去上清液。使用0.22 μm 一次性無(wú)菌濾膜將GOMnO2NSs 過(guò)濾除菌,將細(xì)胞與不同質(zhì)量濃度(1250、625、313、156 μg/mL)的GO-MnO2 NSs 分別培養(yǎng)24、48 h,每孔加入20 μL MTT 試劑(5.0 mg/mL),繼續(xù)培養(yǎng)4 h 后棄去上清,加入二甲基亞砜(DMSO)輕輕振蕩使甲瓚完全溶解。用酶標(biāo)儀測(cè)定OD490 nm 的吸光值,根據(jù)公式(1)計(jì)算細(xì)胞存活率(cell survivalrate,CSR)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇細(xì)胞毒性低的GOMnO2NSs 進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
CSR=[(As-Ab)/(Ac-Ab)] × 100% (1)
式(1)中,As 表示實(shí)驗(yàn)孔吸光度(含細(xì)胞、培養(yǎng)基、MTT 溶液和GO-MnO2 NSs);Ab 表示空白孔吸光度(含培養(yǎng)基、MTT 溶液,但不含細(xì)胞和GOMnO2NSs);Ac表示對(duì)照孔吸光度(含細(xì)胞、培養(yǎng)基、MTT 溶液,但不含GO-MnO2 NSs)。
1.4 半數(shù)效應(yīng)濃度(EC50)的測(cè)定
EC50是能夠抑制50% 病毒感染引起的細(xì)胞病變的藥物有效濃度。將Vero 細(xì)胞接種到96 孔板中,培養(yǎng)至單層后棄去上清液,向100TCID50的PEDV 中分別加入625、313、156、78、39 μg/mLGO-MnO2 NSs,同時(shí)設(shè)置細(xì)胞對(duì)照組和病毒對(duì)照組。置于37 ℃ 5%的CO2培養(yǎng)箱中分別培養(yǎng)至侵染后12、24、36、48 h,在倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞病變情況,直至細(xì)胞病變不再進(jìn)展,記錄并按照Reed-Muench 法[14]計(jì)算EC50。
1.5 間接免疫熒光實(shí)驗(yàn)
將Vero 細(xì)胞接到24 孔板中,培養(yǎng)至單層,將病毒PEDV 與625 μg/mL GO‐MnO2 NSs 在4 ℃預(yù)混1 h 后加入24 孔板中于37 ℃下培養(yǎng)1 h,同時(shí)設(shè)置陽(yáng)性對(duì)照組及陰性對(duì)照組,PBS 沖洗后,用DMEM(補(bǔ)充10 μg/mL 胰蛋白酶)分別培養(yǎng)至侵染后12、24、36、48 h。參照文獻(xiàn)[15]方法,先用4% 多聚甲醛室溫固定,用-20 ℃預(yù)冷的甲醇透化,并用5% BSA室溫封閉后,加入一抗(抗PEDV N 蛋白小鼠單克隆抗體)溫育1 h,然后加入二抗(FITC 標(biāo)記的羊抗鼠二抗)溫育45 min,最后加入DAPI 染料避光染色,PBS 沖洗3 遍后,使用倒置熒光顯微鏡對(duì)FITC 所呈現(xiàn)的綠色熒光和DAPI 所呈現(xiàn)的藍(lán)色熒光進(jìn)行拍攝。
1.6 蛋白免疫印跡(Western blot)實(shí)驗(yàn)
將Vero 細(xì)胞接種到6 孔板中,培養(yǎng)至單層,將病毒PEDV 與625 μg/mL GO-MnO2 NSs 在4 ℃預(yù)混1 h 后加入6 孔板中,在37 ℃下培養(yǎng)1 h,同時(shí)設(shè)置陽(yáng)性對(duì)照組及陰性對(duì)照組,先用PBS 沖洗后,加入DMEM(補(bǔ)充10 μg/mL 胰蛋白酶)分別培養(yǎng)至侵染后12、24、36、48 h;然后使用150 μL 裂解緩沖液收獲細(xì)胞,通過(guò)12% SDS 聚丙烯酰胺凝膠電泳解析裂解的樣品,并將樣品轉(zhuǎn)移到PVDF 膜上,參照文獻(xiàn)[16]的方法,最后使用化學(xué)發(fā)光成像儀進(jìn)行顯色分析。
1.7 細(xì)胞因子表達(dá)水平的測(cè)定
干擾素刺激基因(ISGs)作為由干擾素(IFNs)誘導(dǎo)表達(dá)的基因,在宿主抵抗病毒感染中發(fā)揮著重要作用。將Vero 細(xì)胞接種到24 孔板中,培養(yǎng)至單層。每孔加入625 μg/mL GO-MnO2 NSs,同時(shí)設(shè)置細(xì)胞對(duì)照組,各3 個(gè)復(fù)孔,培養(yǎng)至侵染后24 h,每孔加入1.0 mL 的Trizol 試劑,通過(guò)Trizol 法[16]提取細(xì)胞樣品的總RNA,采用實(shí)時(shí)熒光定量PCR 檢測(cè)Ⅰ型干擾素(IFN?α、IFN?β)和干擾素刺激基因(ISG?20、ISG?54)2 種抗病毒因子的表達(dá)水平,進(jìn)而評(píng)估GO-MnO2NSs 對(duì)抗病毒因子表達(dá)水平的影響。
1.8 活性氧水平的測(cè)定
將Vero 細(xì)胞接種到24 孔板中,培養(yǎng)至單層,將病毒PEDV 與625 μg/mL GO-MnO2 NSs 在4 ℃預(yù)混1 h 后加入24 孔板中,同時(shí)設(shè)置陽(yáng)性對(duì)照組和陰性對(duì)照組,37 ℃下培養(yǎng)1 h,PBS 沖洗后,用DMEM(補(bǔ)充10 μg/mL 胰蛋白酶)分別培養(yǎng)至侵染后12、24、36、48 h。然后加入10 mmol/L 2',7'-二氯熒光二乙酸酯(DCFH-DA),37 ℃避光染色30 min,PBS 洗掉多余染料后,通過(guò)倒置熒光顯微鏡觀察細(xì)菌細(xì)胞熒光強(qiáng)度,測(cè)定細(xì)胞內(nèi)ROS 水平。
1.9 線粒體膜電位的測(cè)定
線粒體膜電位的降低常作為細(xì)胞凋亡早期的標(biāo)志。將Vero 細(xì)胞接種到玻底細(xì)胞培養(yǎng)皿中,培養(yǎng)至單層,將PEDV 病毒與625 μg/mL GO-MnO2 NSs 在4 ℃預(yù)混1 h 后加入24 孔板中,同時(shí)設(shè)置病毒感染組、CCCP 陽(yáng)性對(duì)照組和無(wú)處理的細(xì)胞陰性對(duì)照組,在37 ℃ 下培養(yǎng)1 h,PBS 沖洗后,用DMEM(補(bǔ)充10 μg/mL 胰蛋白酶)進(jìn)一步培養(yǎng)至侵染后12 h,參照J(rèn)C-1 試劑盒說(shuō)明進(jìn)行操作處理,最后用共聚焦激光掃描顯微鏡觀察,以JC-1 熒光探針從紅色熒光到綠色熒光的轉(zhuǎn)變作為細(xì)胞凋亡早期的檢測(cè)指標(biāo)。
1.10 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析
采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì),每項(xiàng)試驗(yàn)至少重復(fù)3 次,結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。采用 t-檢驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。在α=0.05 水平進(jìn)行顯著性分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 GO-MnO2 NSs 的透射電子顯微鏡表征
利用透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)GO-MnO2 NSs的表面形貌進(jìn)行表征(圖1)。MnO2 NSs 與氧化石墨烯薄層之間緊密結(jié)合,合成的GO-MnO2 NSs 呈典型的片狀二維結(jié)構(gòu),能提供更多的吸附結(jié)合位點(diǎn)。
2.2 GO-MnO2 NSs 的XRD表征
通過(guò)X 射線衍射(XRD)測(cè)定GO、MnO2 NSs 和GO-MnO2 NSs 的結(jié)晶度,結(jié)果見(jiàn)圖2。GO 在10.76°處的特征峰對(duì)應(yīng)(111)晶面,MnO2 NSs 在18.42°、36.62°和65.22°處的特征峰分別對(duì)應(yīng)于(101)、(006)和(119)晶面。GO-MnO2 NSs 在10.68° 處出現(xiàn)與GO 的(111)晶面對(duì)應(yīng)的特征峰,且在17.96°、36.12°、64.7°處的特征峰分別與MnO2 NSs 的(101)、(006)、(119)晶面對(duì)應(yīng),證明GO-MnO2 NSs 復(fù)合納米片材料的成功制備。
2.3 GO-MnO2 NSs 的XPS表征
通過(guò)X 射線光電子能譜(XPS)光譜測(cè)定GOMnO2NSs 的元素和表面化學(xué)狀態(tài)。圖3A 為GOMnO2NSs 的XPS 總譜圖,在284.78、532.59、641.48eV 處有3 個(gè)峰,分別對(duì)應(yīng)C 1s、O 1s、Mn 2p。圖3B為GO-MnO2 NSs 的C 1s 光譜,在283.88、286.06 eV處分別歸屬于C—C 鍵和C—O 鍵。圖3C 中O 1s 光譜中在531.71 和530.88 eV 處顯示出2 個(gè)擬合峰分別歸屬于Mn—O 鍵和O—H 鍵。圖3D 的Mn 2p 光譜中,在結(jié)合能640.88 和652.17 eV 處顯示出2 個(gè)擬合峰,分別對(duì)應(yīng)Mn 2p3/2、Mn 2p1/2。這些結(jié)果均表明GO-MnO2 NSs 的制備完成。
2.4 GO-MnO2 NSs 對(duì)細(xì)胞毒性的影響
采用MTT 法測(cè)定不同濃度GO-MnO2 NSs 對(duì)Vero 細(xì)胞的細(xì)胞毒性的影響,結(jié)果見(jiàn)圖4。以1 250μg/mL GO-MnO2 NSs 為最大質(zhì)量濃度,分別與Vero細(xì)胞孵育不同時(shí)間后,625 μg/mL GO-MnO2 NSs細(xì)胞存活率均在85% 以上,說(shuō)明此濃度的GOMnO2NSs 細(xì)胞毒性小,生物相容性良好。因此選用625 μg/mL GO-MnO2 NSs 進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
2.5 GO-MnO2 NSs 的半數(shù)效應(yīng)濃度(EC50)
由圖5 可知,EC50 為140 μg/mL,即GO-MnO2NSs 為140 μg/mL 時(shí)已經(jīng)能夠抑制半數(shù)病毒感染引起的細(xì)胞病變效應(yīng),表明采用625 μg/mL GO-MnO2NSs 能夠有效抑制PEDV 引起的細(xì)胞病變。
2.6 間接免疫熒光實(shí)驗(yàn)結(jié)果
不同處理時(shí)間的GO-MnO2 NSs 間接免疫熒光結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可見(jiàn),與陽(yáng)性對(duì)照組(PEDV 病毒感染組)相比,經(jīng)GO-MnO2 NSs 處理12、24、36 和48 h 后,試驗(yàn)組的細(xì)胞綠色熒光信號(hào)明顯降低,即PEDV N 蛋白(FITC-羊抗鼠抗體標(biāo)記)的表達(dá)量下降,這說(shuō)明GO-MnO2 NSs 可以抑制病毒感染細(xì)胞。
2.7 Western blot 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Western blot 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示,與陽(yáng)性對(duì)照組(PEDV 感染組)相比,經(jīng)過(guò)625 μg/mL GO-MnO2NSs 處理后,PEDV N 蛋白的表達(dá)量在12、24、36 和48 h 均明顯下調(diào),說(shuō)明GO-MnO2 NSs 可以有效抑制病毒的復(fù)制,具有較好的抗病毒活性。
2.8 GO-MnO2 NSs 對(duì)抗病毒因子表達(dá)的影響GO-MnO2 NSs 對(duì)抗病毒因子表達(dá)的影響如圖8所示,與陰性對(duì)照組相比,GO-MnO2 NSs 處理后IFN-α、IFN-β、ISG-20、ISG-54 的表達(dá)水平明顯上調(diào),表明GO-MnO2 NSs 可以通過(guò)刺激細(xì)胞中Ⅰ型干擾素和干擾素刺激基因(interferon-stimulated genes,ISGs)的mRNA 表達(dá)水平上調(diào)來(lái)抑制病毒感染。
2.9 GO-MnO2 NSs 對(duì)活性氧的影響
病毒侵染后細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧,而過(guò)量的活性氧(ROS)會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞DNA 的損傷。如圖9 所示,陽(yáng)性對(duì)照組(病毒感染組)綠色熒光明顯,且隨著病毒侵染時(shí)間加長(zhǎng),綠色熒光增強(qiáng)。而GO-MnO2NSs 處理組的綠色熒光明顯減弱,說(shuō)明GO-MnO2NSs 能夠抑制PEDV 感染后引起的ROS 過(guò)量產(chǎn)生。
2.10 GO-MnO2 NSs 對(duì)線粒體膜電位的影響
如圖10 所示,在沒(méi)有GO-MnO2 NSs 的情況下,PEDV 侵染Vero 細(xì)胞后,經(jīng)染色可以觀察到強(qiáng)烈的綠色熒光,表明病毒感染會(huì)導(dǎo)致線粒體膜電位下降。而經(jīng)GO-MnO2 NSs 處理的試驗(yàn)組中綠色熒光明顯降低,表明經(jīng)GO-MnO2 NSs 處理能夠減少被感染細(xì)胞的線粒體膜電位降低的情況。以上結(jié)果表明GOMnO2NSs 能夠通過(guò)抑制細(xì)胞凋亡來(lái)減輕PEDV 的感染。
3討論
近年來(lái),許多功能性納米顆粒已被證實(shí)具有顯著的抗病毒作用,如量子點(diǎn)、金/銀納米顆粒、納米團(tuán)簇、碳點(diǎn)、氧化石墨烯、硅材料、聚合物和樹(shù)枝狀聚合物[17]。作為潛在的抗病毒候選物,盡管在抗病毒機(jī)制和抑制效果方面存在差異,但這些功能性納米顆粒具有各自的突出特征。與其他具有不同結(jié)構(gòu)和尺寸的功能材料相比,二維納米材料憑借超大的比表面積,已成為抗病毒藥物遞送的優(yōu)良載體之一。
GO 是目前研究最廣泛的一種二維納米材料。本研究采用室溫超聲法合成GO-MnO2 NSs 二維復(fù)合納米片材料,在XRD 表征結(jié)果中,GO 的(111)晶面與Chaiyakun 等[18]的研究結(jié)果一致;MnO2 NSs 的(101)、(006)和(119)晶面與Peng 等[19]的研究結(jié)果一致。在XPS 的O 1s 光譜圖中,531.71 和530.88 eV處顯示出2 個(gè)擬合峰,可以歸因于晶格氧(Mn—O)和表面吸附的氧物種(如O—H)[20-21]。XRD 和XPS的表征結(jié)果證實(shí)GO-MnO2 NSs 的制備已完成。
病毒侵入宿主后,宿主的先天免疫系統(tǒng)被觸發(fā)會(huì)迅速誘導(dǎo)產(chǎn)生干擾素(IFN),這些干擾素進(jìn)一步與相應(yīng)的受體結(jié)合,并誘導(dǎo)干擾素刺激基因(ISGs)表達(dá),從而使細(xì)胞產(chǎn)生抗病毒防御[22]。本文對(duì)GOMnO2NSs 處理后IFN?α、IFN?β、ISG?20、I SG?54 的基因表達(dá)水平進(jìn)行研究,結(jié)果顯示這些基因均明顯上調(diào),與已有相關(guān)研究中的變化趨勢(shì)一致[22],表明GO-MnO2 NSs 能夠誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)干擾素及干擾素刺激基因等抗病毒因子的表達(dá),從而增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)抗病毒侵染的第一道防線作用。
此外,有諸多研究表明石墨烯相關(guān)二維材料與細(xì)菌、病毒和真菌之間的相互作用可能產(chǎn)生強(qiáng)大的抗菌和抗病毒活性。例如,氧化石墨烯(GO)衍生物已被證實(shí)在結(jié)合單純皰疹病毒1 型(HSV-1)時(shí)與細(xì)胞表面受體硫酸乙酰肝素競(jìng)爭(zhēng)[23];Donskyi 等[24]合成了一系列具有特定聚甘油硫酸酯和脂肪胺官能團(tuán)的石墨烯衍生物,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)二維納米片用C6-和C9-烷基鏈官能化時(shí),其在Vero E6 細(xì)胞中顯示出對(duì)HSV-1 的有效抑制,且沒(méi)有任何明顯的毒性,這表明可以通過(guò)對(duì)石墨烯片的控制和官能化來(lái)獲得針對(duì)HSV-1 的抗病毒藥物。
綜上,本研究以PEDV 作為冠狀病毒的模式病毒,探索了GO-MnO2 NSs 對(duì)PEDV 的抗病毒活性和抗病毒機(jī)制。結(jié)果表明,GO-MnO2 NSs 復(fù)合納米材料的生物相容性較好,對(duì)PEDV 增殖的體外抑制效果顯著,可為冠狀病毒的防治提供新的思路和基礎(chǔ)。此外,基于GO 和MnO2 NSs 經(jīng)近紅外照射會(huì)產(chǎn)生光熱的特性,可進(jìn)一步探究其光熱抗病毒活性及實(shí)際應(yīng)用。
(責(zé)任編輯:趙琳琳)