碳纳米材料与线粒体的相互作用

许筱晗,马 龙

(1. 武汉外国语学校，湖北 武汉 430015; 2. 武汉大学 化学与分子科学学院，湖北 武汉 430072)

碳纳米材料与线粒体的相互作用

许筱晗1,马 龙2*

(1. 武汉外国语学校，湖北 武汉 430015; 2. 武汉大学 化学与分子科学学院，湖北 武汉 430072)

碳纳米材料包括富勒烯、碳纳米管、石墨烯及其衍生物等。本文对碳纳米材料的基本性质、生物应用以及在线粒体层面的相互作用进行了较为全面的介绍。为这类纳米材料在环境和生物医学领域的安全应用提供了较为综合的认识。

碳纳米材料；线粒体；生物效应

随着纳米科技的发展，碳纳米材料如富勒烯及其衍生物、碳纳米管、碳纳米线、石墨烯、石墨烯量子点、碳点等，逐渐进入人们的视野。因为具有优异的光学性能、较好的机械强度以及良好的生物相容性，这类材料被广泛应用于机械、建筑、材料、电子、光学、化工、生物医学、食品和化妆品等领域。尤其是在生物医学领域，有关碳纳米材料在医学成像、疾病诊断、药物传输、基因检测、癌症治疗等层面的应用和研究也在飞速发展。伴随与生物体系的相互作用，碳纳米材料可能会带来某些正面的和负面的生物效应，而这也成为人们日益关注的问题。线粒体是一种存在于大多数真核细胞中由双层膜封闭式包被的产能细胞器，有细胞的“power house”之称。线粒体参与了细胞内许多重要的生理活动，包括三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)合成、Ca2+稳态维持、活性氧的产生和清除、细胞凋亡蛋白酶的激活以及程序性细胞死亡的调节。因此，线粒体在生长发育、代谢、衰老、疾病、死亡以及生物进化等诸多方面发挥重要的作用[1]。越来越多的研究表明，线粒体可能是纳米材料重要的靶向细胞器，线粒体的形态损伤和功能障碍是许多纳米材料的毒性机理之一[2]。

1 线粒体概述

在动物、植物细胞中，线粒体的形态多种多样，光学显微镜观察下一般呈线状，也有粒状或短线状。但其基本结构均由内外双层膜包被而成，外膜平展包围整个细胞器，通透性较高；内膜向内折叠延伸形成嵴，通透性较低。线粒体是一种高度动态的细胞器，其在细胞内的分布与细胞内的能量需求息息相关。能量需求集中的区域线粒体分布密集，反之分布较少。在真核生物中，线粒体通过氧化磷酸化将营养物质转换为直接能源ATP，这个过程主要分为两步：(1)在糖酵解和三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA循环)过程中产生NADH和FADH2等高能分子；(2)氧化磷酸化产生ATP。上述的过程受到线粒体转录因子的调节。真核细胞线粒体拥有自身的遗传物质双链环状线粒体DNA，它们可以与一系列蛋白质结合形成核蛋白复合体，并包装折叠成类似原核生物拟核的结构(线粒体拟核)[3]。虽然线粒体拟核分布在整个线粒体基质中，但是其会定位于线粒体内膜，并编码氧化磷酸化系统。线粒体内膜上包含参与氧化磷酸化的电子传递链(electron transport chain, ETC)，也称作呼吸链。TCA循环氧化产生的NADH脱氢形成H+和高能电子，H+跨内膜定向位移，产生跨膜质子电化学梯度，高能电子进入ETC传递[4]。内膜两侧产生的电化学梯度驱动氧化磷酸化过程而参与ATP的合成。

图1 线粒体活性氧的产生[7]

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

机体存在两类抗氧化防御机制来减缓氧化应激，一类是酶促清除系统，主要有超氧化物歧化酶(superoxide dismutase， SOD)、过氧化氢酶(catalase，CTA)、谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase，GR)和谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase，GPx)。另一类是非酶促清除系统主要指体内可以保护细胞免受氧化应激的抗氧化物质，如谷胱甘肽(glutathione，GSH)、维生素E和维生素C、各种类胡萝卜素和类黄酮。正常条件下，通过细胞中的酶促和非酶促系统维持细胞内ROS的平衡。而当抗氧化防御系统的作用减弱时，就会有过量的ROS产生，导致生物大分子如蛋白质、单糖、DNA和脂质的氧化损伤[11]。过量的ROS会削弱呼吸链中的酶的功能，进而导致线粒体功能紊乱、线粒体生物合成的减少和广泛的病理特征如衰老、各种代谢疾病和神经退行性疾病[12]。

2 碳纳米材料与线粒体相互作用

2.1 富勒烯和富勒醇

越来越多的研究表明，线粒体是富勒烯类材料毒理机制的重要靶标。很早之前，Foley等利用放射性标记方法，通过荧光显微镜观察一种水溶性富勒烯衍生物(C61(CO2H)2·C60)在细胞内分布的情况，发现其穿过细胞膜后优先与细胞内的线粒体结合[13]。Chirico等也报道了羧基富勒烯(CF)进入人角质形成细胞后，富集于线粒体内。并且CF可以通过清除自由基从而保护细胞免于紫外辐射(UVB)诱导的凋亡[14]。关于纳米材料对线粒体功能的影响也并不少见。富勒醇可以抑制ADP诱导的大鼠肝脏线粒体解偶联，并显著降低线粒体Mg2+-ATPase和氧化磷酸化活性[15]。Nakagawa等也提出线粒体是富勒醇(C60(OH)n, n=12, 24)的靶细胞器，通过研究富勒醇与新鲜分离的大鼠肝细胞以及离体线粒体的作用，发现富勒醇可以诱导线粒体MPT和线粒体去极化，抑制ATP合成以及GSH和蛋白质巯醇的氧化，并造成氧化应激诱导的脂质过氧化，最终对细胞产生毒性作用。并且富勒醇的细胞毒性还与羟基数量有关[16]。Santos 等也研究了C60和C60(OH)18-22对大鼠肝脏细胞离体线粒体的作用，发现它们会影响线粒体的磷酸化系统和电子传递链(如图2)。其中，C60增加了线粒体膜通透性，而较高浓度的C60(OH)18-22会抑制F0F1-ATP合成酶的活性。并且它们对线粒体磷酸化循环呈现出截然相反的效果[17]。杨立云等发现C60(OH)44会破坏大鼠肝脏离体线粒体的超微结构，诱导线粒体MPT和干扰正常的呼吸功能[18]。这些结果显示了富勒烯纳米粒子的表面化学性质是影响线粒体的重要因素之一。此外，富勒烯羧酸衍生物(C60-COOH)表现出对线粒体动力学的调控作用。脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)刺激DsRed2-mito转染的BV-2小胶质细胞导致过量的线粒体裂变，诱导发动相关蛋白1(dynamin-relatedprotein1, Drp-1)转向线粒体。而C60-COOH不仅可以抑制LPS诱导的线粒体裂变，也可以抑制LPS诱导的DRP1的易位，但是具体机制目前还不明确[19]。

图2 几种富勒烯与线粒体相互作用的机理图[17]

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

2.2 碳纳米管

众所周知，碳纳米管(CNTs)在重要细胞器中的积累，可能会带来细胞毒性和基因毒性。最近，Naserzadeh 等研究了SWCNT和MWCNT对大鼠皮肤细胞的毒性作用，结果显示线粒体活性被抑制、ROS水平升高和膜电势坍塌，而ATP水平的降低也表明这两种碳管干扰了线粒体的氧化磷酸化。同时，由于线粒体外膜破裂或者MPT孔开放而引起细胞色素c的释放，最终造成细胞程序性死亡。有趣的是，较之于对细胞的毒性，SWCNT对线粒体的损伤程度却更大[20]。之前就有文献报道，MWCNT在小鼠精母细胞细胞(GC-2spd)的线粒体中积累，从而引起细胞中线粒体DNA的损伤。此外MWCNT处理组细胞的线粒体相关基因的表达水平、耗氧量和细胞ATP含量均低于对照组[21]。MWCNT也可以诱导酿酒酵母中线粒体膜电势的下降和细胞色素c的释放，最终导致细胞凋亡[22]。而SWCNT可以通过与细胞色素c相互作用影响线粒体的功能。SWCNT进入细胞后定位于线粒体并与细胞色素c作用，造成细胞色素c的减少及其氧化还原活性的降低，从而减弱其电子转移，最终导致线粒体呼吸链被破坏，线粒体耗氧量降低，ATP生成受到影响[23]。

2.3 石墨烯

许多研究表明，石墨烯可以通过诱导线粒体功能障碍而引起细胞毒性。原始石墨烯可以诱导RAW 264.7细胞中线粒体去极化和活性氧的大量产生，最终造成线粒体途径依赖的细胞死亡[24]。类似地，氧化石墨烯(GO)和羧基化的石墨烯纳米片(CXYG)被Hep G2细胞内化后，引起线粒体膜去极化，并且细胞内线粒体的数量也有所减少[25]。Gurunathan等利用黄海芽孢杆菌生物质作为还原剂和稳定剂制备的水溶性石墨烯(B-rGO)，引起MCF-7细胞中非解偶联状态和解偶联状态下线粒体的耗氧量增加以及膜电势损耗，最终激活线粒体途径引发细胞凋亡[26]。在研究石墨烯对小鼠肺泡巨噬细胞MHS的作用时发现，GO能够增加线粒体呼吸链复合物I/III的活性以及对电子传递链的位点I/II的电子供应，从而加速了线粒体呼吸副产物ROS的产生，因此造成MHS细胞发生凋亡。而原始石墨烯并没有产生这样的结果[27]。除此之外，Zhang等选择线虫作为体外模型，研究了压力条件下聚乙二醇-聚-L-赖氨酸修饰的氧化石墨烯(GO/PP)的毒理机制(如图3)。研究发现，由GO介导的OH·的形成和细胞色素c/过氧化氢电子传递的加剧可以诱导氧化应激，损害线粒体呼吸链，最终导致细胞毒性[28]。

图3 氧化石墨烯在体内不同病理生理条件下表现出应激诱导毒性[28]

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

3 展望

碳纳米材料是纳米材料的重要分支之一。碳纳米材料所具有的丰富多彩的结构和形态以及独特的性质，使其在众多领域有着十分诱人的应用前景。而对这些材料在活体、组织、细胞或者生物大分子层面的生物效应研究，是此类材料在生物医学和其他领域应用的基础。线粒体由于其提供细胞生理活动的能量，对离子稳态、细胞凋亡和坏死等环节的信号作用等，在毒理学、医学领域受到广泛关注。碳纳米材料与线粒体的相互作用一方面可能会影响细胞的生理功能，另一方面也可能会改变纳米材料的生物应答等。综合来看，当一个研究对象足够小时，宏观的描述方法可能不够准确，需要更深层次的研究来揭示其微观的机理。碳纳米材料的生物效应是非常复杂的，仅从某一个角度或者层次来探讨纳米材料的生物效应都具有一定的局限性，这时，探索碳纳米材料对线粒体结构和功能的影响，从更多角度来认识碳纳米材料在亚细胞层面的生物效应，对其在细胞层面作用提供更全面的科学指导。

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(本文文献格式：许筱晗,马龙.碳纳米材料与线粒体的相互作用[J].山东化工，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

许筱晗(1999—)，女，湖北武汉人，高中在读，业余从事一些科研活动；通信作者：马 龙(1989—)，河北邢台人，博士，主要从事外源性物质对线粒体正常生理功能和结构的影响。

TB383; Q291

A

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