美学者首次实现碳纳米管活体成像及潜在毒性研究

美学者首次实现碳纳米管活体成像及潜在毒性研究

　　

    近年来，纳米技术和纳米材料的不断发展给社会、科技及人们的生活都带来了巨大的影响。纳米与生物学及医学的结合更催生了一个重要的研究应用领域——纳米医学（nanomedicine），给传统医学诊断和治疗带来巨大变革。纳米医学的具体表述有很多种，但是主要指纳米材料、技术在医学方面的应用，其涵盖的内容有：药物输送、分子诊断等[1]。
 
    碳纳米管（carbon nanotube，CNT）作为一种重要而有代表性的纳米材料，在纳米医学领域也有广泛的应用研究。首先，CNT是一种备受关注的药物输送（drug delivery）纳米载体，由于其表面可以方便地进行功能化，并且能够顺利穿透细胞膜将负载分子输送至细胞内部，所以一些学者、研究团体对功能化CNT向细胞内输送药物分子及生物分子（蛋白质、核酸）等作了广泛、深入的研究[2－5]。另外，CNT具有独特的物理光学性质，例如吸收红外光而升温，可以用于深组织热疗[2]，发射红外光荧光，可以用于体内的成像诊断[6]。虽然CNT显示了良好的药物输送性能，具有独特性质在体内诊断、治疗方面都很有应用潜力，但是CNT的潜在毒性也引发了人们对其生产、使用，特别是体内应用的担忧。
 
    因为CNT的尺寸在几百纳米左右与超微粉尘颗粒接近，所以对于CNT的毒性研究，一方面集中在CNT制造、使用时可能产生的对环境及人体健康，如呼吸系统、皮肤的危害[7－8]。但是，CNT在纳米医学中的重要应用，如作为药物输送载体或诊断试剂，是人为摄入或注射进体内。所以对CNT活体内潜在毒性的全面研究是CNT最终得以临床应用的前提。
 
    大量关于CNT的细胞水平研究，证实表面功能化水溶性CNT能将药物分子导入目标肿瘤细胞，而对正常细胞的生长没有明显影响[2－5]。然而，更进一步的毒性研究也多局限于CNT对动物组织的影响，对于活体内CNT的分布和毒性研究的数据仍然缺乏[9]。最近，美国研究者首次实现了CNT活体内成像，得到CNT在活体内分布及潜在毒性的信息。
 
    2007年8月，位于美国休斯顿的赖斯大学（Rice University）的Weisman教授研究小组及其合作者Beckingham教授在美国化学会刊物Nano Letters上发表了他们关于单壁碳纳米管（SWNTs）在果蝇（drosophila）体内的近红外成像和生物相容性研究[6]（题为Single-Walled Carbon Nanotubes in the Intact Organism: Near-IR Imaging and Biocompatibility Studies in Drosophila）。这是首次在活体内进行CNT成像的报道。虽然果蝇属于低级动物，所以仍需要更多关于SWNTs在高级动物（哺乳动物）体内分布及潜在毒性的研究，但是目前的研究结果显示了SWNTs在该体系内没有不良影响，所以值得进一步深入SWNTs在生物医学方面的应用研究，包括利用CNT发射近红外荧光的独特性质进行成像诊断[6，9]。这个工作为CNT在活体内的研究提供了很好的参考。
 
    Weisman教授研究小组及其合作者在该研究中，利用SWNTs所发射独特的近红外荧光，对果蝇活体内分布的SWNTs进行非破坏性成像观测。他们用含有不同剂量SWNTs的发酵粉糊喂养刚孵化出的果蝇幼虫。幼虫经过初期喂养阶段（4～5天）后体重约增加了200倍，然后变成蛹，直至变成成虫。通过观察果蝇生长过程，以及幼虫体内SWNTs的近红外荧光成像，他们得到以下主要研究结果[6，9]：
 
    1.果蝇幼虫经由食物摄入SWNTs并不影响其生长、发育及主要生理机能，如成熟后的繁殖力；并且添加的不同剂量SWNTs均没有产生短期毒性。
 
    2.分布在果蝇体内的SWNTs可以通过其发射的近红外荧光进行成像观测，无需破坏性操作（如组织切片等）。而通过组织切片，则可以进一步观察到单个SWNT。
 
    3.除了极微量SWNTs“被吸收进”组织，绝大部分摄入的SWNTs都顺利地经过消化系统最后排出，没有对果蝇造成不良影响。
 
    虽然并不能排除SWNTs对果蝇某些生命周期的微小影响，但是这样的实验结果足够证明摄入的SWNTs对果蝇没有不良生理影响。而摄入的SWNTs中只有约一亿分之一进入了果蝇的组织，如果这对其它昆虫也成立，则表明环境中的SWNTs不会通过昆虫进入整个食物链。
 
    该研究至少揭示了SWNTs在纳米医学方面的两个潜在应用。一是SWNTs独特的近红外荧光发射性质，使其在活体内的分布可以被非破坏性地成像观测，所以提供了很好的体内诊断手段；二是SWNTs在活体内没有产生明显的不良影响，因此具有作为药物输送载体等应用于体内的巨大潜力[6，9]。以此工作为先锋，随着对CNT等纳米材料在活体内研究的不断深入，纳米医学必将真正走向临床，极大提高诊断、治疗水平而造福人类。
 
    参考文献
    [1] Emerich DE，Thanos CG，Biomolecular Engineering 23 （2006）171－184。
    [2] Kam NWS，O’Connell M，Wisdom JA，Dai HJ，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102 （2005）11600－11605。
    [3] Kam NWS，Jessop TH，Wender PA，Dai HJ，J. Am. Chem. Soc. 126 （2004）6850－6851。
    [4] Kam NWS，Liu Z，Dai HJ，Angew. Chem. Int. Ed. 35 (2006) 577-581.
    [5] Klumpp C, Kostarelos K, Prato M, Bianco A, Biochimica et Biophysica Acta 1758 (2006) 404-412.
    [6] Leeuw TK, Reith RM, Simonette RA, Harden ME, Cherukuri P, Tsyboulski DA, Beckingham KM, Weisman RB, Nano Letters 7 (2007) 2650-2654.
    [7] Lacerda L，Bianco A，Prato M，Kostarelos K，Advanced Drug Delivery Reviews 58（2006）1460－1470。
    [8] Smart SK，Cassady AI，Lu GQ，Martin DJ，Carbon 44（2006）1034－1047。
    [9] http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=3213.php