石墨烯家族納米材料（GFNs）在生物和環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用中具有重大的潛力，然而隨著納米材料應(yīng)用日益增多，對環(huán)境和生物體安全性的潛在危害一直是人們密切關(guān)注的問題。納米材料表面末端功能基團修飾（常見有-OH，-COOH，-NH2等）雖能增強GFNs的性能，但由此帶來的潛在神經(jīng)毒性也備受爭議。

2020年5月中國科學(xué)院環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點實驗室趙斌研究員和英國伯明翰大學(xué)Iseult Lynch教授共同在Nanoscale（IF 6.895）雜志上發(fā)表題目為《Elucidating the mechanism of the surface functionalization dependent neurotoxicity of graphene family nanomaterials》的研究成果，利用非靶代謝組學(xué)技術(shù)研究不同類型的GFNs（RGO，G-COOH，G-OH，G-NH2）對神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞（SK-N-SH）的神經(jīng)毒性分子機制。中科新生命提供了非靶代謝的技術(shù)服務(wù)。

研究材料：神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞（SK-N-SH）

技術(shù)方法：非靶代謝組學(xué)

實驗方法簡介：

步驟1：構(gòu)建不同表面修飾基團GFNs；

步驟2：不同GFNs的性質(zhì)測定；

步驟3：不同GFNs的細(xì)胞毒性統(tǒng)計比較；

步驟4：非靶代謝組學(xué)揭示GFNs細(xì)胞毒性機制。

研究結(jié)果：

1、四種GFNs的性質(zhì)測定

首先研究人員利用原子力顯微鏡（AFM）成像和X-射線光電子能譜技術(shù)（XPS）對四種GFNs的表面結(jié)構(gòu)和原子層進行分析，發(fā)現(xiàn)無論初級側(cè)向尺寸、厚度還是水合粒徑都非常相似，因此推測GFNs的細(xì)胞毒性歸因于不同的功能修飾基團。

2、四種GFNs細(xì)胞毒性比較

研究人員比較四種GFNs處理SK-N-SH 24h，48h，72h后細(xì)胞活力，發(fā)現(xiàn)四種GFNs毒性強度不同，按毒性大小依次排序為G-OH≈G-COOH >RGO>G-NH2；此外還發(fā)現(xiàn)G-NH2雖然細(xì)胞毒性最弱，但是其毒性維持時間卻是四種GFNs中最長的。繼而研究者從細(xì)胞膜損傷和氧化脅迫兩個方面比較細(xì)胞毒性的差異，通過乳酸脫氫酶釋放評估細(xì)胞膜的損傷程度，發(fā)現(xiàn)損傷程度由高到低依次為G-OH≈G-COOH >RGO>G-NH2。氧化脅迫來源于ROS積累和氧化電位兩個方面，研究發(fā)現(xiàn)ROS積累與細(xì)胞活力表現(xiàn)一致，G-NH2相比于其它GFNs具有更高的氧化電位。研究者推測GFNs通過其功能團改變細(xì)胞膜脂質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致膜損傷及氧化電位改變，由此對細(xì)胞產(chǎn)生毒性。

3、非靶代謝組學(xué)揭示GFNs神經(jīng)毒性的分子機制

為了更深入研究GFNs神經(jīng)毒性的分子機制，研究者利用非靶向代謝組學(xué)方法研究細(xì)胞代謝物的潛在變化，PLS-DA分析發(fā)現(xiàn)對照組和GFNs處理組有明顯差異，四種GFNs處理組之間也有顯著差異（G-OH≈G-COOH除外，前面研究表明兩者的細(xì)胞毒性接近）。差異代謝物功能富集分析表明GFNs顯著影響細(xì)胞的糖代謝，脂質(zhì)合成和抗氧化代謝等途徑。四種GFNs引起的細(xì)胞代謝變化模式互不相同，例如葡萄糖，3-磷酸甘油，UDP-N-乙酰氨基葡萄糖在RGO處理組中顯著下降，其它3組處理沒有明顯變化；氧化磷酸化相關(guān)代謝物如ADP，煙酰胺，甲基煙酰胺在RGO和G-COOH中下降而在G-NH2中上升；至于脂質(zhì)合成在四種GFNs處理中變化一致（下降）；抗壞血酸合成底物L(fēng)-古洛糖酸-γ-內(nèi)酯，以及牛磺酸（抗氧化相關(guān)代謝物）在RGO和G-COOH處理組中明顯下調(diào)而在G-NH2中升高。上述結(jié)果表明不同修飾功能團的GFNs細(xì)胞毒性深層存在差異。

小編小結(jié)：

本研究構(gòu)建四種不同的石墨烯納米材料（GFNs），發(fā)現(xiàn)不同修飾基團是產(chǎn)生細(xì)胞毒性的主要原因，通過細(xì)胞活力、膜損傷以及ROS等檢測發(fā)現(xiàn)它們的毒性程度存在不同，最后通過非靶代謝組學(xué)技術(shù)檢測材料處理后神經(jīng)細(xì)胞代謝物變化情況，發(fā)現(xiàn)GFNs主要通過擾亂糖代謝、脂質(zhì)合成和抗氧化途徑產(chǎn)生毒性效應(yīng)。該研究對于GFNs在組織工程和臨床疾病治療領(lǐng)域中的安全應(yīng)用具有積極的指導(dǎo)意義。

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