纳米材料影响细胞结构与功能的研究进展

王 静，梁 伟

中国科学院生物物理研究所，生物大分子国家重点实验室，蛋白与多肽药物实验室，北京 100101

纳米材料影响细胞结构与功能的研究进展

王 静，梁 伟

中国科学院生物物理研究所，生物大分子国家重点实验室，蛋白与多肽药物实验室，北京 100101

随着纳米技术的飞速发展，纳米材料为改善人们的生活方式展示了诱人的前景，与此同时，人们也逐渐为纳米材料潜在的危害性感到担忧。纳米材料对细胞结构和功能的影响决定了该材料的细胞毒性与应用价值。遗憾的是人们往往将研究重点放在细胞对纳米材料的摄取和代谢过程，而忽视了纳米材料对细胞结构和功能的影响。本文综合近几年的研究报道，简要叙述纳米材料对细胞膜、细胞骨架和细胞核结构，以及细胞某些重要生理功能的影响，包括细胞凋亡与自噬、干细胞生长与分化、肿瘤细胞粘附与转移和神经细胞信号转导。

纳米材料；细胞膜；细胞骨架；基因毒性；细胞功能

0 引 言

纳米材料的研究与应用，近10年来取得了飞速发展，相关的文章与专利数目几乎呈指数增长趋势。大量有开发前景的新型纳米材料脱颖而出，许多纳米材料组装体也已经广泛应用于各个领域[1]。随着研究的深入与应用的推广，纳米材料的生物安全性与应用广泛性越来越受到人们的关注。纳米材料对细胞结构和功能影响的基础研究是阐明其安全性和指导其应用性的必要前提条件。综合相关的国内外研究进展，本文将简要阐述部分有机和无机纳米材料对细胞膜、细胞骨架和细胞核等亚细胞结构，以及细胞死亡、生长分化、粘附转移和信号转导等细胞功能的影响。

1 纳米材料对细胞结构的影响

1.1 细胞膜

细胞膜不仅是细胞的首要防御屏障，也是细胞与环境之间进行物质交换和信息交流的巨大平台。纳米材料与细胞作用的第一环节就是细胞膜，其中包括膜脂与膜蛋白。

1.1.1 膜脂

磷脂双层膜组成细胞的结构边界，维持细胞的完整性与内部环境的稳定性。脂质在细胞膜表面存在凝胶相与流动相两种相区。纳米材料与细胞膜接触时产生一定的压力，可能诱导膜脂发生相变。Wang等人[2]采用荧光共振能量转移和等温滴定微量热技术观察到，20 nm的带电聚苯乙烯纳米粒与脂质体非特异性吸附后，脂质体在接触点发生相变。磷脂膜相变的发生与纳米粒的表面电荷有关，与磷脂的种类和纳米粒的大小无关。带负电的纳米粒诱导磷脂膜由流动相转变为凝胶相，带正电的纳米粒则诱导凝胶相转变为流动相。Nature Nanotechnology对该文章在纳米研究领域的创新性工作给予了高度评价[3]。纳米材料除了诱导脂膜发生相变外，还会“刺穿”磷脂双层膜。Roiter等人[4]采用原子力显微镜技术观察到，二豆蔻酰磷脂酰胆碱膜与1.2～22 nm的硅纳米粒作用后会形成孔洞。该作用具有一定的尺寸效应，＜1.2 nm或＞22 nm的硅纳米粒对脂膜无影响，原因在于不同粒径的硅纳米粒与脂膜接触产生的变形压力不同，只有脂膜的曲率超过一定临界值才会形成孔洞。除无机材料外，部分有机纳米材料同样诱导膜穿孔。Leroueil等人[5]报道了阳离子有机纳米粒“刺穿”人工膜与细胞膜的现象，膜孔洞的大小同样与纳米粒的尺寸有关。除了尺寸，电荷与表面修饰同样影响纳米粒与细胞膜的作用。Arvizo等人[6]报道只有正电性的纳米金能够引起细胞膜发生去极化进而增加细胞内钙离子浓度。负电性、中性和两性的纳米金均无此效果。此外，Verma等人[7]比较了具有相同化学基团修饰但是不同分子排列程度的两种纳米金后发现，表面修饰有序排列的纳米金能够在不引起膜损伤的前提下跨过细胞膜进入细胞质，而修饰无序排列的纳米金则需要经过胞吞途径进入细胞，最终累积在内吞体内。

1.1.2 膜蛋白

膜蛋白种类繁多，是物质跨膜运输与细胞表面信号传递的主要承担者。依据作用机制的差异，膜蛋白大致可以分为三类：离子通道、载体蛋白和受体蛋白。

1.1.2.1 离子通道

离子通道选择性转运某一类或某几类离子以维持胞内离子强度与膜电位，例如钾离子通道、钠离子通道和钙离子通道。2003年，Park等人[8]报道碳纳米材料抑制钾离子通道的功能，这种抑制作用与碳纳米材料的形状、粒径和钾离子通道的种类密切相关，并且是可逆的。作者比较了三种碳纳米材料：0.72 nm的球形富勒烯、直径1～10 nm的单层碳纳米管、直径10～15 nm的多层碳纳米管。从形状考虑，球形富勒烯对钾离子通道的阻塞作用是单层碳纳米管的2～3倍，较粗的多层碳纳米管则无阻塞作用；从粒径考虑，细的单层碳纳米管阻塞作用更强；从钾离子通道种类考虑，不同亚型的钾离子通道受阻塞的程度是不一样的。钾离子通道蛋白的三维结构和碳纳米材料的计算模拟显示，碳纳米材料物理性堵塞钾离子通道的“口”，使得钾离子无法正常进出细胞。这种阻塞作用类似于瓶塞堵住瓶口，瓶塞与瓶口的匹配程度决定了阻塞的程度，例如，0.72 nm的富勒烯与钾离子通道的“口”完全吻合，因此阻塞作用最强。与以上观点不同的是，Xu等人[9]报道直径40～50 nm的、羧基修饰的多壁碳纳米管仍然可以阻塞PC12细胞表面的钾离子通道，瞬间外向、延迟整流和内向整流三种类型的钾电流都受到不可逆的抑制作用。二者实验结果的不同，可能是纳米材料理化性质和细胞系的差异造成的。除了物理阻塞外，某些纳米材料能诱导细胞产生氧化压力，导致某些离子通道的结构和功能发生改变。不同类型的离子通道对氧化压力的敏感程度不一样。CdSe量子点造成的氧化压力激活N型钙离子通道与电压门控钠离子通道，介导胞外钙大量流入，胞内钙离子浓度迅速提高；L型与T型钙离子通道和钾离子通道却无明显变化[10,11]。纳米银改变电压门控钠通道的电生理性质，电压刺激产生的钠电流幅度降低，电压曲线的超极化发生位移[12]。

1.1.2.2 载体蛋白

载体蛋白是通过构象改变介导某些特定分子跨膜运输的另一大类蛋白，包括多药耐药蛋白Pgp、葡萄糖转运体、胆碱转运体和硫胺转运体等。多药耐药蛋白Pgp介导许多小分子抗癌药物的泵出，降低胞内药物有效浓度进而导致化疗失败。2009年，Dong等人[13]首次报道了纳米粒抑制Pgp蛋白活性的分子机制。含表面活性剂Brij78的空白脂质纳米粒在远低于CMC(critical micell concentration)的浓度下能够降低胞内ATP至初始水平的80%，从而抑制ATP依赖的Pgp蛋白活性。体外细胞毒实验表明，该纳米粒装载阿霉素或紫杉醇等小分子抗癌药物后，药物在Pgp高表达的人黑色素瘤细胞上的IC50值分别降至游离药物的1/8和1/9，此疗效在荷瘤动物模型上也得到进一步证实。除了多药耐药蛋白以外，载体蛋白还是许多基本营养因子的转运体，如葡萄糖、氨基酸、胆碱等。鉴于血脑屏障高表达某些营养因子转运体，这些载体蛋白常常作为药物输送入脑的靶点以克服血脑屏障的阻碍作用[14]。脑部糖消耗量约占人体糖总消耗量的30%，葡萄糖转运体GLUT1在大脑毛细管内腔和脉络丛表面高表达，因此GLUT1是药物透过血脑屏障的重要靶点之一。Umezawa等人[15]在上世纪80年代就成功将表面连接GLUT1底物甘露糖的脂质体输送至小鼠脑部。Dufes等人[16]将具有重要功能的神经肽段包被到棕榈酰氨基葡萄糖组成的纳米粒中，不仅解决了神经肽段容易水解失效的缺点，而且通过靶向GLUT1，使得药物在脑内的滞留量提高了58%。胆碱转运体是另一类营养因子转运体，负责磷脂酰胆碱的摄取，在某些肿瘤和内皮细胞中高表达。Fenart等人[17]在麦芽糖糊精纳米粒表面包被磷脂酰胆碱后发现，有包被的纳米粒透过内皮单层细胞的速率是未包被纳米粒的3～4倍。水溶性的硫胺是细胞生长发育所需的基本微量营养物质，因此硫胺转运体也常常作为药物透过血脑屏障的靶点。硫胺配体与血脑屏障的硫胺转运体结合后，可以通过转运体的主动运输和后续的被动扩散提高细胞对纳米粒的摄取，Lockman等人[18]发现硫胺配体修饰的纳米粒在大脑中的滞留量提高了2倍。

1.1.2.3 受体蛋白

受体蛋白结合特异的配体后，通过信号级联传导启动下游生物学效应。Dobrovolskaia与Mcneil在2007年的一篇综述性文章中总结归纳了纳米材料被巨噬细胞吞噬引起免疫反应的规律。～90 nm甘露糖包被的纳米乳胶、～130 nm甘露糖-壳聚糖纳米粒以及～200 nm的葡萄糖-甘露聚糖颗粒，通过甘露糖受体途径被巨噬细胞吞噬；20、50和100 nm的脂质纳米粒通过补体受体途径被吞噬；富勒烯衍生物通过Fcγ受体途径被吞噬。以上三种途径都会诱导巨噬细胞发生免疫反应，释放促炎因子。如果纳米粒通过清道夫受体这一经典途径进入巨噬细胞则不会刺激细胞产生促炎因子，例如10～20 nm的超顺磁氧化铁纳米粒和～35 nm的胶体金纳米粒[19]。为了实现载药纳米材料的主动运输，人们在纳米材料表面尝试连接各种配体。以肿瘤靶向治疗为例，Byrne等人[20]在综述中将配体分为两大类。一类与抗血管生成相关，包括血管内皮生长因子、整合素、内皮细胞粘附因子和基质金属蛋白酶等；另一类与抑制肿瘤细胞增殖相关，包括内皮生长因子、转铁蛋白和叶酸等。选择的受体靶点往往在肿瘤部位特异高表达，而修饰的配体则需要具有不引发炎症反应、在体内稳定存在、与受体结合的效率和特异性高等特点。

1.2 细胞骨架

细胞骨架不仅维持细胞形态，保持细胞内部结构的有序性，而且参与许多重要的生命活动，例如肿瘤细胞的粘附转移、神经细胞的信号转导等。近年来人们逐渐发现，某些纳米材料会破坏细胞骨架的有序结构进而对细胞功能造成一定影响。Huang等人[21]发现，长棒形单分散介孔碳纳米管破坏A375黑素瘤的细胞骨架，使得微丝断裂成无序状而在细胞膜附近皱缩，圆形和短棒形纳米棒无此影响。作者认为该形状因素造成的微丝破坏差异可能与纳米材料的摄取量相关，长棒形碳纳米管被细胞摄取的最多，因此对细胞骨架造成的破坏最严重。随着细胞骨架结构的破坏，肿瘤细胞的部分功能也受到影响。生化实验证实，细胞粘附蛋白表达下调，转移能力也有一定降低，由此可见，细胞骨架对肿瘤细胞的粘附与转移的重要贡献。PisanicⅡ等人[22]在神经细胞上同样发现纳米材料对细胞骨架的破坏作用。非常低浓度的Fe2O3纳米粒就可以造成PC12神经细胞胞体内微丝数目下降，随着浓度的提高，伸展至突触的微管也几乎全部消失。神经细胞细胞骨架受损造成的后果是细胞对神经生长因子等生化刺激的应答能力降低。

1.3 细胞核

细胞核作为遗传物质的存储地，是细胞最重要的“心脏”，调控细胞的一切生命活动。随着纳米材料亚细胞毒性研究的深入，人们发现，在不引起细胞死亡的前提下，纳米材料可以引起细胞核发生染色体断裂、DNA链破坏、点突变等一系列变化，诱导细胞癌变或者影响遗传稳定性，这种现象被定义为基因毒性（genetoxicity）[23]。目前已发现许多纳米材料具有基因毒性，例如TiO2纳米粒、纳米金、富勒烯等。纳米材料造成DNA损伤分为直接作用与间接作用。直接作用即纳米材料穿过细胞膜与核膜到达细胞核，直接与DNA或者核蛋白作用造成损伤。Nabiev等人[24]报道量子点可以通过核孔进入细胞核，诱导核蛋白聚集，抑制基因转录和细胞增殖。有些纳米材料虽然在正常情况下无法进入细胞核，却可以在生殖细胞减数分裂过程中核膜消失时与DNA接触造成损伤。间接作用则是纳米材料通过细胞的氧化压力、炎症反应或DNA修复异常等方式造成DNA损伤。某些纳米材料释放过渡金属离子，将胞内的氧转化成具有强氧化能力的活性氧基团ROS（reactive oxygen species）。细胞核内的DNA与蛋白等生物大分子被氧化，DNA断裂或横向耦合，碱基被修饰。Liu等人[25]发现TiO2纳米粒在细胞内的分布与ROS产生的部位一致。Trouiller等人[26]也通过一系列实验证实TiO2纳米粒通过氧化压力在体外和体内造成DNA损伤。随着氧化压力的累积和升级，MAPK和NF-kB等信号通路被激活，促炎因子释放，细胞发生炎症反应。炎症一方面加剧DNA损伤，使得染色体断裂，点突变发生，DNA附加物形成；另一方面抑制DNA修复，诱导碱基被异常甲基化，改变基因的正常表达。许多金属氧化物纳米粒都可以在血管内皮细胞诱发炎症[27]。DNA损伤会激活DNA修复来避免更严重的周期阻滞或细胞凋亡发生。DNA修复是细胞确保基因完整和细胞存活的重要因素。在修复过程中，p53蛋白最先应答进而启动一系列调节DNA修复相关基因的转录和表达。如果DNA修复过程受到干扰，细胞会发生癌变或死亡。Li等人[28]报道纳米金直接或间接与DNA作用后，通过干扰基因组的稳定性下调一系列DNA修复基因，最终导致细胞死亡。

2 纳米材料对细胞功能的影响

2.1 细胞的凋亡与自噬

凋亡（apoptosis）与自噬（autophagy）是细胞程序性死亡的两种方式。凋亡是细胞接收胞内外信号进行有序死亡、最终形成凋亡小体的过程。自噬是细胞内形成的自噬泡与溶酶体融合，降解胞内破损的大分子或细胞器的过程。正常程度的自噬是细胞自我保护的一种方式，过度的自噬则引起细胞死亡[29]。

关于纳米材料诱导细胞凋亡的主流观点是，纳米材料在线粒体累积，诱导ROS的生成，产生氧化压力，启动凋亡信号。根据蛋白质组学与基因组学的研究，细胞的氧化压力由低到高可分为三个阶段。第一阶段，细胞通过Nrf-2蛋白激活抗氧化酶进行自我防御；第二阶段，细胞激活MAPK与NF-kB级联反应，释放炎症因子，发生炎症反应；第三阶段，线粒体发生膜穿孔、呼吸链破坏、膜电位降低等变化，细胞核DNA损伤，细胞走向凋亡[30]。据报道，银包被的纳米金、富勒烯、嵌段共聚物胶束和碳纳米管等都通过该机制诱导细胞凋亡[31]。细胞凋亡有不同的信号通路，纳米材料由于理化性质不同，所选择的凋亡途径也有所差异。Zhao等人[32]报道TiO2通过激活caspase-8/Bid和线粒体通路诱导凋亡，而Choi等人[33]报道量子点通过上调Fas和脂质过氧化诱导凋亡。另一种观点认为某些纳米材料不产生氧化压力依然可以诱导细胞凋亡。Frohlich[34]观察到20 nm的羧基聚苯乙烯纳米粒不在线粒体累积，不产生ROS，却依然能够诱导细胞通过caspase途径凋亡。

随着研究的深入，人们在近几年来逐渐发现某些纳米材料可以引起细胞自噬。Wen小组先后发现纳米氧化钕[35]、富勒烯纳米晶体[36]和多种稀土金属氧化物纳米晶体[37]都可以诱导肿瘤细胞发生自噬型死亡，并且提出借助特殊纳米材料诱导细胞自噬辅助抗癌药物进行肿瘤治疗的可能性。此外，Li等[38]发现PAMAM枝状物可以通过抑制Akt-TSC2-mTOR通路促进细胞自噬死亡。Stern等人[39]的研究也表明，两种不同核心的量子点均能够诱导猪肾脏细胞发生自噬，并提出引发细胞自噬可能是某些纳米材料的共性。

无论通过哪种方式诱导细胞死亡，纳米材料的大小与表面化学性质都是决定细胞毒性的重要因素。纳米材料粒径小则表面积大，表面活性强，细胞毒作用往往也更大。例如，20 nm的羧基聚苯乙烯纳米粒诱导凋亡发生，40～200 nm的纳米粒却没有细胞毒作用[40]。表面化学性质是决定细胞毒性的另一要素，表面化学活性高的纳米材料与细胞相互作用后可能产生ROS和氧化压力。在这种情况下，如果对纳米材料进行表面修饰，细胞毒作用可能大大降低。例如，水溶性单分散的富勒烯诱导细胞生成超氧离子，产生脂质过氧化损伤细胞，当表面连接丙二酰基团后，该纳米粒不仅毒性大大降低，而且具有一定的抗氧化性[41]。

2.2 干细胞生长与分化

干细胞是一类具有自我更新能力的多潜能细胞，在一定条件下可以诱导分化成多种功能细胞。具有生物相容性的纳米材料可以模拟体内细胞生长环境，不仅为干细胞提供支持平台，而且参与调控干细胞的生长与定向分化。普遍作为研究对象的间质干细胞MSC（mesenchymal stem cell）是一类来源于骨髓、具有多元性分化潜能的非造血干细胞，通过诱导可以定向分化为神经细胞、造骨细胞、肝细胞、成纤维细胞和脂肪细胞等。在造骨诱导因子作用下，MSC在PLGA纳米纤维[42]、PCL纳米纤维[43]或多肽两亲分子自组装形成的纳米纤维[44]所组成的三维网状骨架上，不仅加快生长而且更容易分化成造骨细胞。在神经诱导因子作用下，MSC在直径230 nm的PLCL/Coll纳米纤维状支架上与在直径620 nm的PLCL支架上相比，细胞生长加快80%，并且只有230 nm的PLCL/Coll支架上出现神经样细胞[45]，这说明纳米材料对细胞定向分化的影响具有一定的尺寸效应。纳米材料不仅能在特异诱导因子作用下影响MSC的分化，有些甚至可以自身作为诱导因子促使MSC定向分化。Oh等人[46]观察到在无造骨诱导因子的情况下，TiO2纳米管可以调节人的MSC分化为造骨细胞，且也有一定的尺寸效应，直径30 nm的TiO2纳米管促进细胞粘附却不诱导分化；直径70～100 nm的TiO2纳米管降低了细胞的粘附性却诱导细胞延伸10倍，并且最终分化为造骨细胞。对于以上报道，Mark等人提出了质疑，他们认为，如果考虑整合素的聚集和粘着斑的形成对MSC生长分化的影响，TiO2纳米管的尺寸效应与Oh等人得到的结果应该是相反的，直径小的纳米管应该更利于MSC的生长分化[47]。Park等人观察到直径15 nm的TiO2纳米管最有利于整合素的聚集，大鼠MSC的粘附、生长、迁移和分化为造骨细胞的能力最强，直径为70～100 nm的纳米粒诱导MSC定向分化的能力则显著降低[48]。Arnold等人[49]也观察到直径＜8 nm的多肽包被的纳米金促进斑状粘附形成和细胞伸展的能力最强，直径＞73 nm的纳米粒几乎无此作用。考虑到材料制备方法的差别和其他未知因素的潜在干扰，上述争议需要进一步研究探讨。

2.3肿瘤细胞粘附与迁移

转移是恶性肿瘤的标志，同时也是肿瘤患者高死亡率的主要原因，约90%的肿瘤患者死于肿瘤转移[50]。肿瘤转移的大致过程是原发灶肿瘤细胞侵袭基底膜进入血管或淋巴管，逃避免疫监视进行游走，最终粘附并且穿透脉管，内皮细胞增殖形成转移灶[51]。细胞的粘附与迁移能力决定了肿瘤转移的效率。纳米材料作为输送载体，可以装载各种药物，连接不同的配体，定点有效地到达肿瘤部位，抑制肿瘤细胞的生长、粘附和转移[52]。鉴于多数肿瘤细胞MAPK信号通路激活程度高，Basu等人[53]在载有顺铂的PLGA纳米粒表面连接MAPK通路的特异性抑制剂，考察对B16/F10肿瘤的抑制作用。体外实验表明，顺铂纳米粒的细胞毒作用是游离顺铂的6倍，体内实验进一步证实顺铂纳米粒的抗肿瘤效果显著提高。此外，Nen等人[54]发现Fe2O3纳米粒破坏细胞骨架的伸展，降低斑状粘附激酶的活性，进而抑制血管内皮细胞的粘附和迁移能力。最近，Veiseh等人[55]针对载药纳米材料抑制肿瘤转移的研究取得了一定进展。具有高转移性的C6神经胶质瘤细胞通过分泌基质金属蛋白酶MMP-2降解胞外基质促进转移，与MMP-2特异结合的配体是一段由36个残基组成的多肽。作者在Fe2O3纳米粒表面连接该肽段并将其PEG化进行保护，制备成特异抑制肿瘤转移的载药纳米粒。这种多肽偶联的纳米粒与游离多肽相比，不仅细胞内滞留量增加，抑制肿瘤细胞迁移的能力也大大增强。

2.4 神经细胞信号转导

神经细胞又称为神经元，由胞体和突触两部分组成，通过接收、整合、传导和输出信息，实现神经细胞之间的信息交换。许多实验表明，具有良好生物相容性的碳纳米管可以促进神经细胞的信号转导。Cellot等人[56]比较了碳纳米管表面与玻璃表面生长的神经细胞接收电流脉冲后产生的动作电位，发现前者的后去极化大大增强。这种效应在与碳纳米管具有相似特征的传导性物质 (如氧化锡或非传导性物质)表面均没有出现，说明碳纳米管对神经细胞的作用具有特异性。Mazzatenta等人[32]也发现电刺激信号能够通过单层碳纳米管传递至神经细胞表面并且加强细胞的应答。Keefer等人[57]用碳纳米管修饰电极表面，发现神经细胞的电刺激与应答信号都有增强。关于碳纳米管促进神经细胞信号转导的机制目前有两种观点，一种认为神经细胞与碳纳米管之间形成紧密接触，导致神经细胞电生理活性提高[58,59]；另一种观点则认为碳纳米管通过改变胞体与突触的结构使其去极化增强[60]。

3 总结与讨论

纳米材料与细胞相互作用是一个复杂的生物学过程，一方面纳米材料被细胞摄取、代谢和降解，另一方面细胞的结构和功能也受到纳米材料的影响。目前，关于纳米材料对细胞结构与功能影响的研究还处于起步阶段，并且未引起大家的足够重视。关于纳米材料作用于细胞的基础研究，将对考察材料的生物安全性、合理地设计和优化纳米材料组装体有着非常重要的指导意义。本文综合了近年来纳米材料与细胞相互作用的研究进展，得到以下结论：

1)纳米材料影响细胞膜、细胞骨架和细胞核等亚细胞结构。细胞膜脂双层与纳米材料接触后，物理性质发生改变，其稳定性与完整性受到破坏；纳米材料选择性激活或阻塞某些膜表面通道蛋白，接上配体后特异性结合细胞膜表面的受体或载体蛋白，进而启动不同的细胞应答；纳米材料破坏细胞骨架的有序结构，进而影响细胞骨架参与的某些生命活动；纳米材料与细胞核内大分子直接或间接作用，造成一系列DNA损伤，定义为“基因毒性”。

2)纳米材料影响细胞的某些重要生理功能。纳米材料通过凋亡或者自噬引起细胞程序性死亡；某些纳米材料可促进或者自身诱导干细胞定向分化；装载抗肿瘤药物的纳米材料连接某些配体后，能够特异地抑制肿瘤细胞的增殖、粘附和迁移；碳纳米管能够特异地增强神经细胞的电生理活性，促进信号转导。

纳米材料的形状、大小、组成和表面性质等理化因素，在以上细胞生物学效应中起着非常重要的作用。在未来的工作中，我们不仅应该深入分析单个纳米材料对细胞的特异作用，更应该总结归纳具有某些共性的纳米材料对细胞所具有的普遍作用。

1.Wagner V,Dullaart A,Bock AK,Zweck A.The emerging nanomedicine landscape.Nat Biotechnol,2006,24(10)：1211～1217

2. Wang B,Zhang L,Bae SC,Granick S.Nanoparticleinduced surface reconstruction of phospholipid membranes.Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(47)：18171～18175

3. Dawson KA,Salvati A,Lynch I.Nanoparticles reconstruct lipid.Nat Nanotechnol,2009,4：84～85

4. Roiter Y,Ornatska M,Rammohan AR,Balakrishnan J,Heine DR,Minko S.Interaction of nanoparticles with lipid membrane.Nano Lett,2008,8(3)：941～944

5. Leroueil PR,Hong S,Mecke A,Baker JR Jr,Orr BG,Banaszak Holl MM.Nanoparticle interaction with biological membranes：Does nanotechnology present a janus face?Acc Chem Res,2007,40(5)：335～342

6. Arvizo RR,Miranda OR,Thompson MA,Pabelick CM,Bhattacharya R,Robertson JD,Rotello VM,Prakash YS,Mukherjee P.Effect of nanoparticle surface charge at the plasma membrane and beyond.Nano Lett,2010,10：2543～2548

7. Verma A,Uzun O,Hu YH,Hu Y,Han HS,Watson N,Chen S,Irvine DJ,Stellacci F.Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles.Nat Mater,2008,7：588～595

8. Park KH,Chhowalla M,Iqbal Z,Sesti F.Single-walled carbon nanotubes are a new class of ion channel blockers.J Biol Chem,2003,278(50)：50212～50216

9. Xu HF,Bai J,Meng J,Hao W,Xu H,Cao JM.Multi-walled carbon nanotubes suppress potassium channel activities in PC12 cells.Nanotechnology,2009,20：285102

10.Tang ML,Wang M,Xing TR,Zeng J,Wang HL,Ruan DY.Mechanism of unmodified CdSe quantum dot-induced elevation of cytoplasmic calcium levels in primary cultures ofrathippocampalneurons. Biomaterials，2008，29：4383～4391

11.Kirchner C,Liedl T,Kudera S,Pellegrino T,Mu?oz Javier A,Gaub HE,St?lzle S,Fertig N,Parak WJ.Cytotoxicity of colloidal CdSe and CdSe/ZnS nanoparticle. Nano Lett,2005,5(2)：331～338

12.Liu Z,Ren G,Zhang T,Yang Z.Action poteintial changes associated with the inhibitory effects on voltage-gated sodium currentofhippocampalCA1 neuronsbysilver nanoparticles.Toxicology,2009,264：179～184

13.Dong XW,Mattingly CA,Tseng MT,Cho MJ,Liu Y,Adams VR,Mumper RJ.Doxorubicin and paclitaxel-loaded lipid-based nanoparticles overcome multidrug resistant by inhibiting P-glycoprotein and depleting ATP.Cancer Res,2009,69(9)：3918～3926

14.Beduneau A,Saulnier P,Benoit JP.Active targeting of brain tumor using nanocarriers.Biomaterials,2007,28：4947～4967

15.Umezawa F,Eto Y.Liposome targeting to mouse brain：Mannose as a recognition marker.Biochem Biophys ResCommun,1988,153(3)：1038～1044

16.Dufes C,Gaillard F,Uchegbu IF,Schätzlein AG,Olivier JC，Muller JM. Glucose-targeted niosomes deliver vasoactive intestinal peptide(VIP)to the brain.Int J Pharm,2004,285：77～85

17.Fenart L,Casanova A,Dehouck B,Duhem C,Slupek S,Cecchelli R,Betbeder D.Evaluation of effect of charge and lipid coating on ability of 60nm nanoparticles to cross anin vitromodel of the blood-brain barrier.J Pharmacol Exp Ther,1999,291(3)：1017～1022

18.Lockman PR,Oyewumi MO,Koziara JM,Roder KE,Mumper RJ,Allen DD.Brain uptake of thiamine coated nanoparticles.J Control Release,2003,93：271～282

19.Dobrovolskaia MA,Mcneil SE.Immunological properties of engineerednanomaterials. NatNanotechnol，2007，2：469～478

20. Byrne JD，BetancourtT，Brannon-PeppasL. Active targeting schemes fornanoparticle systems in cancer therapeutics.Adv Drug Deliv Rev,2008,60：1615～1626

21.Huang XL,Teng X,Chen D,Tang F,He J.The effect of the shape of mesoporous silica nanoparticles on cellular uptake and cell function.Biomaterials,2010,31：438～448

22.Pisanic II TR,Blackwell JD,Shubayev VI,Finones RR,Jin S.Nanotoxicity of iron oxide nanoparticle internalization in growing neurons.Biomaterials,2007,28：2572～2581

23.Singh N,Manshian B,Jenkins GJS,Griffiths SM,Williams PM，Maffeis TGG，Wright CJ，Doak SH.Nanogenotoxicology： The DNA damaging potentialof engineered nanomaterials. Biomaterials，2009，30：3891～3914

24.Nabiev I,Mitchell S,Davies A,Williams Y,Kelleher D,Moore R,Gun'ko YK,Byrne S,Rakovich YP,Donegan JF,Sukhanova A,Conroy J,Cottell D,Gaponik N,Rogach A,VolkovY. Nonfunctionalized nanocrystals can exploita cell's active transport machinery delivering them to specific nuclear and cytoplasmic compartments.Nano Lett,2007,7：3452～3461

25.Liu S,Xu L,Zhang T,Ren G,Yang Z.Oxidative stress and apoptosis induced by titanium dioxide nanoparticles in cultured BEAS-2B cells.Toxicol Lett,2008,180：222～229

26.Trouiller B,Reliene R,Westbrook A,Solaimani P,Schiestl RH.Titanium dioxide nanoparticles induce DNA damage and genetic instabilityin vivoin mice.Cancer Res,2009,69(22)：8784～8789

27.Gojova A,Guo B,Kota RS,Rutledge JC,Kennedy IM,Barakat AI. Induction of inflammation in vascular endothelial cells by metal oxide nanoparticles：Effect of particle composition.Environ Health Perspect,2007,115：403～409

28.Li JJ,Hartono D,Ong CN,Bay BH,Yung LY.Gold nanoparticles induce oxidative damage in lung fibroblastsin vitro.Adv Mater,2008,20：138～142

29.Okada H,Mark TW.Pathwaysofapoptoticandnon-apoptotic death in tumour cells.Nat Rev Cancer,2004,4：592～603

30.Nel A,Xia T,Mädler L,Li N.Toxic potential of materials at the nanolevel.Science,2006,311：622～627

31.Aillon KL,Xie Y,El-Gendy N,Berkland CJ,Forrest ML.Effects of nanomaterial physicochemical properties onin vivotoxicity.Adv Drug Deliv Rev,2009,61：457～466

32.Zhao J,Bowman L,Zhang X,Vallyathan V,Young SH,Castranova V，Ding M. Titanium dioxide nanoparticle induce JB6 cellapoptosis through activation of the caspase-8/Bid and mitochondrialpathways. J Toxicol Environ Health A,2009,72,19：1141～1149

33.Choi AO,Cho SJ,Desbarats J,Lovric J,Maysinger D.Quantum dot-induced cell death involves Fas upregulation and lipid peroxidation in hman neuroblastoma cells. J Nanobiotechnol,2007,5(1)：1～13

34.Fröhlich E,Samberger C,Kueznik T,Absenger M,Roblegg E,Zimmer A,Pieber TR.Cytotoxicity of nanoparticles independent from oxidative stress.J Toxico Sci,2009,34(4)：363～375

35.Chen Y,Yang L,Feng C,Wen LP.Nano neodymium oxide induces massive vacuolization and autophagic cell death in non-smallcelllung cancerNCI-H460 cells.Biochem Biophys Res Commun,2005,337：52～60

36.Zhang Q,Yang W,Man N,Zheng F,Shen Y,Sun K,Li Y，WenLP. Autophagy-mediatedchemosensitizationin cancercells byfullerene C60 nanocrystal. Autophagy,2009,5(8)：1107～1117

37.Yu L,Lu Y,Man N,Yu SH,Wen LP.Rare earth oxide nanocrystals induce autophagy in Hela cells.Small,2009,5(24)：2784～2787

38.Li CG,Liu H,Sun Y,Wang H,Guo F,Rao S,Deng J,Zhang Y,Miao Y,Guo C,Meng J,Chen X,Li L,Li D,Xu H,Wang H,Li B,Jiang C.PAMAM nanoparticles promote acute lung injury by inducing autophagic cell death through the Akt-TSC2-mTOR signaling pathway.J Mol Cell Biol,2009,1：37～45

39.Stern ST,Zolnik BS,McLeland CB,Clogston J,Zheng J,McNeil SE.Induction of autophagy in porcine kidney cells by quantum dots： A common cellularresponse to nanomaterials?Toxicol Sci,2008,106(1)：140～152

40.Seleverstov O,Zabirnyk O,Zscharnack M,Bulavina L,NowickiM，HeinrichJM，YezhelyevM，EmmrichF,O'Regan R，BaderA. Quantum dots forhuman mesenchymalstem cells labeling. A size-dependent autophagy activation.Nano Lett,2006,6：2826～2832

41.Elder A,Yang H,Gwiazda R,Teng X,Thurston S,He H,Oberdörster G.Testing nanomaterials of unknown toxicity：An example based on platinum nanoparticles of different shapes.Adv Mater,2007,19：3124～3129

42.Xin X,Hussain M,Mao JJ.Continuing differentiation of human mesenchymal stem cells and induced chondrogenic andosteogeniclineagesinelectrospunPLGA nanofiber scaffold.Biomaterials,2007,28：316～325

43.Li WJ,Tuli R,Okafor C,Derfoul A,Danielson KG,Hall DJ,Tuan RS.A three dimensional nanofibrous scaffold for cartilage tissue engineering using human mesenchymal stem cells.Biomaterials,2005,26：599～609

44.Hosseinkhani H,Hosseinkhani M,Tian F,Kobayashi H,Tabata Y.Osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells in selfassembled peptide-amphiphile nanofibers.Biomaterials,2006,27：4079～4086

45. Prabhakaran MP，VenugopalJR，Ramakrishna S.Mesenchymal stem cell differentiation to neuronal cells on electrospun nanofibrous substrates for nerve tissue engineering.Biomaterials,2009,30：4996～5003

46.Oh S,Brammer KS,Li YS,Teng D,Engler AJ,Chien S,Jin S.Stem cell fate dictated solely by altered nanotube dimension.ProcNatlAcadSciUSA，2009，106(7)：2130～2145

47.Mark KV,Bauer S,Park J,Schmuki P.Another look at"stem cell fate dictated solely by altered nanotube dimension".Proc Natl Acad Sci USA,2009,106(24)：E60

48.Park J,Bauer S,Schlegel KA,Neukam FW,von der Mark K,Schmuki P.TiO2 nanotube surface：15 nm-an optimal length scale of surface topography for cell adhesion and differentiation.Small,2009,5(6)：666～671

49.Arnold M,Cavalcanti-Adam EA,Glass R,Blümmel J,Eck W,Kantlehner M,Kessler H,Spatz JP.Activation of integrin function by nanopatterned adhesion interfaces.Chemphyschem,2004,5：383～388

50.Markovic SN,Erickson LA,Rao RD,Weenig RH,Pockaj BA,Bardia A,Vachon CM,Schild SE,McWilliams RR,Hand JL,Laman SD,Kottschade LA,Maples WJ,Pittelkow MR,Pulido JS,Cameron JD,Creagan ET.Melanoma study group ofmayo clinic cancercenter. Malignant melanoma in the 21st century,part 2：staging,prognosis,and treatment.Mayo Clin Proc,2007,82(4)：490～513

51.Langley RR,Fidler IJ.Tumor cell-organ microenvironment interactions in the pathogenesis ofcancermetastasis.Endocr Rev,2007,28(3)：297～321

52.Peer D,Karp JM,Hong S,Farokhzad OC,Margalit R,Langer R.Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy.Nat Nanotechnol,2007,2：751～760

53.Basu S,Harfouche R,Soni S,Chimote G,Mashelkar RA,Sengupta S. Nanoparticle-mediated targeting ofMAPK signaling predisposes tumor to chemotherapy.Proc Natl Acad Sci USA,2009,106(19)：7957～7961

54.Nen SJ,Nuytten N,De Meyer SF,De Smedt SC,De Cuyper M. High intracellular iron oxide nanoparticle concentrations affect cellular cytoskeleton and focal adhesion kinase mediated signaling.Small,2010,6(7)：832～842

55.Veiseh O,Gunn JW,Kievit FM,Sun C,Fang C,Lee JS,Zhang M. Inhibition of tumor cell invasion with chlorotoxin-bound superparamagnetic nanoparticles.Small,2009,5(2)：256～264

56.Cellot G,Cilia E,Cipollone S,Rancic V,Sucapane A,Giordani S,Gambazzi L,Markram H,Grandolfo M,Scaini D,Gelain F,Casalis L,Prato M,Giugliano M,Ballerini L.Carbon nanotubes might improve neuronal performance by favouring electrical shortcuts.Nat Nanotechnol,2009,4：126～133

57.Mazzatenta A,Giugliano M,Campidelli S,GambazziL,Businaro L,Markram H,Prato M,Ballerini L.Interfacing neurons with carbon nanotubes：Electrical signal transfer and synaptic stimulation in cultured brain circuits. J Neurosci,2007,27(26)：6931～6936

58.Keefer EW,Botterman BR,Romero MI,Rossi AF,Gross GW.Carbon nanotube coating improves neuronal recordings.Nat Nanotechnol,2008,3(7)：434～439

59.Silva GA.Shorting neurons with nanotubes.Nat Nanotechnol,2008,4(2)：82～83

60.Malarkey EB,Reyes RC.Water soluble single-walled carbon nanotubes inhibit stimulated endocytosis in neurons.Nano Lett,2008,8(10)：3538～3542

This work was supported by grants from The Funding：National Nature Sciences Foundation of China(90606019,30901869),State Key Development Plan Project(2006CB933305),China-Finland Inter-Governmental S&T Cooperation(2008DFA01510)

Effects of Nanomaterials on Cellular Structure and Function

WANG Jing,LIANG Wei
Protein and Peptide Pharmaceutical Laboratory,National Laboratory of Biomacromolecules,Institute of Biophysics,Chinese Academy of Science,Beijing 100101,China

Jul 6,2010 Accepted：Aug 9,2010

LIANG Wei,Tel：+86(10)64889861,E-mail：weixx@sun5.ibp.ac.cn

As nanotechnology develops rapidly,nanomaterials present numerous advantages,meanwhile their potential toxicity gradually draw our attention and worries.The toxicity and values of nanomaterials are largely dependent on their effects on cellular structure and function.However,most research has focused on the cellular internalization and metabolism of nanomaterials and little attention was paid to their actions on cells.This review outlines current reports about the effects of nanomaterials on cellular structures of plasma membrane,cytoskeleton,nuclear and cellular functions,including apoptosis and autophagy,the growth and differentiation of stem cells,the adhesion and metastasis of cancer cells and the signal transduction of nerves.

Nanomaterial;Plasma membrane;Cytoskeleton;Genotoxicity;Cellular function

2010-07-06；接受日期：2010-08-09

自然科学基金重大研究计划(90606019，30901869)，国家重大科学研究计划(2006CB933305)，中-芬国际合作项目(2008DFA01510)

梁伟，电话：(0)64889861，E-mail：weixx@ibp.ac.cn

Q255,Q274