摘要
随着纳米技术在神经科学领域的广泛应用,纳米材料所产生的神经生物效应成为关注焦点。小胶质细胞作为中枢神经系统(CNS)的主要免疫细胞,在外源性物质入侵CNS时,迅速增生活化发挥免疫应答反应,但活化小胶质细胞亦可分泌神经毒性因子发挥神经损伤作用。明确小胶质细胞活化的“双刃作用”在纳米材料介导的神经生物效应中的重要作用,对探讨纳米材料的神经生物效应机制具有重要意义。 氧化铁纳米材料具有超顺磁性,在颅内肿瘤成像与脑部药物靶向运输方面具有广阔的应用前景。本论文通过研究:(1)鼻腔暴露纳米氧化铁的小鼠脑部组织病理变化和小胶质细胞活化状态；(2)活化小胶质细胞与氧化铁纳米材料之间的相互作用；(3)不同类型氧化铁纳米材料的神经细胞生物学作用,从动物水平、细胞水平和分子水平上,阐述了氧化铁纳米材料对小胶质细胞活化过程和功能的影响,探讨了小胶质细胞活化在纳米氧化铁介导的神经生物效应中的重要作用,并解释了纳米材料的物理化学性质与神经生物效应之间的相关性。主要研究成果如下: 1、鼻腔暴露α-Fe2O3和γ/-Fe2O3纳米颗粒,可导致小鼠脑组织病理变化,并诱导小胶质细胞增生活化,其中嗅球组织神经病变最严重,活化小胶质细胞集中分布于嗅神经层和嗅小球层。体外细胞实验亦证实,α-Fe2O3和γ-Fe2O3纳米颗粒诱导BV2小鼠小胶质细胞增生活化,活化小胶质细胞吞噬纳米颗粒并释放生物因子ROS和NO,可能通过引起氧化应激和亚硝化应激反应而损伤神经元。γ-Fe2O3纳米颗粒由于具有更活泼的表面反应活性,可比α-Fe2O3纳米颗粒诱导更明显的小胶质细胞增生活化。 2、BV2小鼠小胶质细胞暴露于Fe2O3与Fe3O4纳米颗粒,纳米颗粒大量聚集于细胞膜外侧,诱导小胶质细胞增生活化。活化小胶质细胞伸出伪足包绕纳米颗粒,同时细胞膜凹陷,将纳米颗粒吞噬进入细胞内。细胞内外溶解析出的铁离子与氧化铁纳米颗粒协同作用,使ROS和NO大量生成,细胞处于氧化应激状态,导致线粒体功能障碍,并观察到细胞超微结构损伤。相比Fe2O3纳米颗粒,Fe3O4纳米颗粒具有大比表面积、Fe2+/Fe3+混合价态、溶解释出铁离子能力较强等物理化学性质,诱导了更明显的氧化应激反应。 3、9 mn、18 nmγ-Fe2O3和20 nm、280 nmα-Fe2O3纳米颗粒作用于U251人神经胶质瘤细胞,发现α-Fe2O3和γ-Fe2O3纳米颗粒诱导的细胞活力下降,细胞凋亡和坏死,以及产生ROS和NO的程度明显不同。γ-Fe2O3纳米颗粒具有较α-Fe2O3更大的比表面积和更多的表面缺陷,因而具有较高的表面反应活性和催化活性,故诱导更高水平的ROS、NO和蛋白质巯基亚硝基化生成。ROS介导的氧化损伤在氧化铁纳米颗粒诱导的细胞凋亡和坏死中发挥重要作用。而氧化铁纳米颗粒诱导蛋白质巯基亚硝基化并促使NO发挥独特生物学作用,需特别关注。 4、γ-Fe2O3、γ-Fe2O3@DMSA、γ-Fe2O3@APTs纳米颗粒诱导BV2和U251细胞分泌大量NO,但仅在高剂量水平(2 mM Fe)导致U251细胞和海马神经元的细胞活力显著下降。表面修饰DMSA和APTS可影响γ-Fe2O3纳米颗粒的神经细胞生物学作用,其中γ-FeO3@APTS纳米颗粒诱导的细胞活力和NO水平相对较明显。此外,Fe3O4、CA-Fe3O4纳米材料可进入BV2小鼠小胶质细胞,并聚集于细胞质或囊泡内,部分纳米颗粒进入溶酶体内。Fe3O4、CA-Fe3O4纳米颗粒诱导细胞超微结构受损,线粒体功能障碍,细胞发生凋亡和坏死,细胞活力显著下降,并表现出剂量反应关系,高剂量暴露组诱导更显著的细胞毒性作用,而CA-Fe3O4纳米颗粒诱导的细胞毒性作用高于Fe3O4纳米颗粒。 综上所述,氧化铁纳米颗粒诱导小胶质细胞增生活化,并发生细胞氧化损伤作用。活化小胶质细胞参与介导了纳米氧化铁的神经损伤作用。此外,氧化铁纳米颗粒的中枢神经生物效应受其物理化学性质的影响,纳米氧化铁溶解析出铁离子以及高催化活性发挥重要的生物学作用,而具有不同化学组成、表面反应活性和表面化学修饰的氧化铁纳米颗粒所诱导的神经生物学作用显著不同。
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