碳納米材料與線粒體的相互作用

許筱晗,馬 龍

(1. 武漢外國語學校，湖北 武漢 430015; 2. 武漢大學 化學與分子科學學院，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. 武漢外國語學校，湖北 武漢 430015; 2. 武漢大學 化學與分子科學學院，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。本文對碳納米材料的基本性質、生物應用以及在線粒體層面的相互作用進行了較為全面的介紹。為這類納米材料在環境和生物醫學領域的安全應用提供了較為綜合的認識。

碳納米材料；線粒體；生物效應

隨著納米科技的發展，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、碳點等，逐漸進入人們的視野。因為具有優異的光學性能、較好的機械強度以及良好的生物相容性，這類材料被廣泛應用于機械、建筑、材料、電子、光學、化工、生物醫學、食品和化妝品等領域。尤其是在生物醫學領域，有關碳納米材料在醫學成像、疾病診斷、藥物傳輸、基因檢測、癌癥治療等層面的應用和研究也在飛速發展。伴隨與生物體系的相互作用，碳納米材料可能會帶來某些正面的和負面的生物效應，而這也成為人們日益關注的問題。線粒體是一種存在于大多數真核細胞中由雙層膜封閉式包被的產能細胞器，有細胞的“power house”之稱。線粒體參與了細胞內許多重要的生理活動，包括三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)合成、Ca2+穩態維持、活性氧的產生和清除、細胞凋亡蛋白酶的激活以及程序性細胞死亡的調節。因此，線粒體在生長發育、代謝、衰老、疾病、死亡以及生物進化等諸多方面發揮重要的作用[1]。越來越多的研究表明，線粒體可能是納米材料重要的靶向細胞器，線粒體的形態損傷和功能障礙是許多納米材料的毒性機理之一[2]。

1 線粒體概述

在動物、植物細胞中，線粒體的形態多種多樣，光學顯微鏡觀察下一般呈線狀，也有粒狀或短線狀。但其基本結構均由內外雙層膜包被而成，外膜平展包圍整個細胞器，通透性較高；內膜向內折疊延伸形成嵴，通透性較低。線粒體是一種高度動態的細胞器，其在細胞內的分布與細胞內的能量需求息息相關。能量需求集中的區域線粒體分布密集，反之分布較少。在真核生物中，線粒體通過氧化磷酸化將營養物質轉換為直接能源ATP，這個過程主要分為兩步：(1)在糖酵解和三羧酸循環(tricarboxylic acid cycle, TCA循環)過程中產生NADH和FADH2等高能分子；(2)氧化磷酸化產生ATP。上述的過程受到線粒體轉錄因子的調節。真核細胞線粒體擁有自身的遺傳物質雙鏈環狀線粒體DNA，它們可以與一系列蛋白質結合形成核蛋白復合體，并包裝折疊成類似原核生物擬核的結構(線粒體擬核)[3]。雖然線粒體擬核分布在整個線粒體基質中，但是其會定位于線粒體內膜，并編碼氧化磷酸化系統。線粒體內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循環氧化產生的NADH脫氫形成H+和高能電子，H+跨內膜定向位移，產生跨膜質子電化學梯度，高能電子進入ETC傳遞[4]。內膜兩側產生的電化學梯度驅動氧化磷酸化過程而參與ATP的合成。

圖1 線粒體活性氧的產生[7]

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

機體存在兩類抗氧化防御機制來減緩氧化應激，一類是酶促清除系統，主要有超氧化物歧化酶(superoxide dismutase， SOD)、過氧化氫酶(catalase，CTA)、谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase，GR)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)。另一類是非酶促清除系統主要指體內可以保護細胞免受氧化應激的抗氧化物質，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，通過細胞中的酶促和非酶促系統維持細胞內ROS的平衡。而當抗氧化防御系統的作用減弱時，就會有過量的ROS產生，導致生物大分子如蛋白質、單糖、DNA和脂質的氧化損傷[11]。過量的ROS會削弱呼吸鏈中的酶的功能，進而導致線粒體功能紊亂、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

越來越多的研究表明，線粒體是富勒烯類材料毒理機制的重要靶標。很早之前，Foley等利用放射性標記方法，通過熒光顯微鏡觀察一種水溶性富勒烯衍生物(C61(CO2H)2·C60)在細胞內分布的情況，發現其穿過細胞膜后優先與細胞內的線粒體結合[13]。Chirico等也報道了羧基富勒烯(CF)進入人角質形成細胞后，富集于線粒體內。并且CF可以通過清除自由基從而保護細胞免于紫外輻射(UVB)誘導的凋亡[14]。關于納米材料對線粒體功能的影響也并不少見。富勒醇可以抑制ADP誘導的大鼠肝臟線粒體解偶聯，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)的靶細胞器，通過研究富勒醇與新鮮分離的大鼠肝細胞以及離體線粒體的作用，發現富勒醇可以誘導線粒體MPT和線粒體去極化，抑制ATP合成以及GSH和蛋白質巰醇的氧化，并造成氧化應激誘導的脂質過氧化，最終對細胞產生毒性作用。并且富勒醇的細胞毒性還與羥基數量有關[16]。Santos 等也研究了C60和C60(OH)18-22對大鼠肝臟細胞離體線粒體的作用，發現它們會影響線粒體的磷酸化系統和電子傳遞鏈(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會抑制F0F1-ATP合成酶的活性。并且它們對線粒體磷酸化循環呈現出截然相反的效果[17]。楊立云等發現C60(OH)44會破壞大鼠肝臟離體線粒體的超微結構，誘導線粒體MPT和干擾正常的呼吸功能[18]。這些結果顯示了富勒烯納米粒子的表面化學性質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)表現出對線粒體動力學的調控作用。脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)刺激DsRed2-mito轉染的BV-2小膠質細胞導致過量的線粒體裂變，誘導發動相關蛋白1(dynamin-relatedprotein1, Drp-1)轉向線粒體。而C60-COOH不僅可以抑制LPS誘導的線粒體裂變，也可以抑制LPS誘導的DRP1的易位，但是具體機制目前還不明確[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)在重要細胞器中的積累，可能會帶來細胞毒性和基因毒性。最近，Naserzadeh 等研究了SWCNT和MWCNT對大鼠皮膚細胞的毒性作用，結果顯示線粒體活性被抑制、ROS水平升高和膜電勢坍塌，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，由于線粒體外膜破裂或者MPT孔開放而引起細胞色素c的釋放，最終造成細胞程序性死亡。有趣的是，較之于對細胞的毒性，SWCNT對線粒體的損傷程度卻更大[20]。之前就有文獻報道，MWCNT在小鼠精母細胞細胞(GC-2spd)的線粒體中積累，從而引起細胞中線粒體DNA的損傷。此外MWCNT處理組細胞的線粒體相關基因的表達水平、耗氧量和細胞ATP含量均低于對照組[21]。MWCNT也可以誘導釀酒酵母中線粒體膜電勢的下降和細胞色素c的釋放，最終導致細胞凋亡[22]。而SWCNT可以通過與細胞色素c相互作用影響線粒體的功能。SWCNT進入細胞后定位于線粒體并與細胞色素c作用，造成細胞色素c的減少及其氧化還原活性的降低，從而減弱其電子轉移，最終導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，石墨烯可以通過誘導線粒體功能障礙而引起細胞毒性。原始石墨烯可以誘導RAW 264.7細胞中線粒體去極化和活性氧的大量產生，最終造成線粒體途徑依賴的細胞死亡[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細胞內化后，引起線粒體膜去極化，并且細胞內線粒體的數量也有所減少[25]。Gurunathan等利用黃海芽孢桿菌生物質作為還原劑和穩定劑制備的水溶性石墨烯(B-rGO)，引起MCF-7細胞中非解偶聯狀態和解偶聯狀態下線粒體的耗氧量增加以及膜電勢損耗，最終激活線粒體途徑引發細胞凋亡[26]。在研究石墨烯對小鼠肺泡巨噬細胞MHS的作用時發現，GO能夠增加線粒體呼吸鏈復合物I/III的活性以及對電子傳遞鏈的位點I/II的電子供應，從而加速了線粒體呼吸副產物ROS的產生，因此造成MHS細胞發生凋亡。而原始石墨烯并沒有產生這樣的結果[27]。除此之外，Zhang等選擇線蟲作為體外模型，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)的毒理機制(如圖3)。研究發現，由GO介導的OH·的形成和細胞色素c/過氧化氫電子傳遞的加劇可以誘導氧化應激，損害線粒體呼吸鏈，最終導致細胞毒性[28]。

圖3 氧化石墨烯在體內不同病理生理條件下表現出應激誘導毒性[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構和形態以及獨特的性質，使其在眾多領域有著十分誘人的應用前景。而對這些材料在活體、組織、細胞或者生物大分子層面的生物效應研究，是此類材料在生物醫學和其他領域應用的基礎。線粒體由于其提供細胞生理活動的能量，對離子穩態、細胞凋亡和壞死等環節的信號作用等，在毒理學、醫學領域受到廣泛關注。碳納米材料與線粒體的相互作用一方面可能會影響細胞的生理功能，另一方面也可能會改變納米材料的生物應答等。綜合來看，當一個研究對象足夠小時，宏觀的描述方法可能不夠準確，需要更深層次的研究來揭示其微觀的機理。碳納米材料的生物效應是非常復雜的，僅從某一個角度或者層次來探討納米材料的生物效應都具有一定的局限性，這時，探索碳納米材料對線粒體結構和功能的影響，從更多角度來認識碳納米材料在亞細胞層面的生物效應，對其在細胞層面作用提供更全面的科學指導。

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(本文文獻格式：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，業余從事一些科研活動；通信作者：馬 龍(1989—)，河北邢臺人，博士，主要從事外源性物質對線粒體正常生理功能和結構的影響。

TB383; Q291

A

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