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中科项目文章:非靶代谢揭示石墨烯纳米材料神经毒性的分子机制

发布时间: 2021-02-01 17:03 来源:上海中科新生命生物科技有限公司

石墨烯家族纳米材料(GFNs)在生物和环境领域应用中具有重大的潜力,然而随着纳米材料应用日益增多,对环境和生物体安全性的潜在危害一直是人们密切关注的问题。纳米材料表面末端功能基团修饰(常见有-OH,-COOH,-NH2等)虽能增强GFNs的性能,但由此带来的潜在神经毒性也备受争议。

2020年5月中国科学院环境化学与生态毒理学国家重点实验室赵斌研究员和英国伯明翰大学Iseult Lynch教授共同在Nanoscale(IF 6.895)杂志上发表题目为《Elucidating the mechanism of the surface functionalization dependent neurotoxicity of graphene family nanomaterials》的研究成果,利用非靶代谢组学技术研究不同类型的GFNs(RGO,G-COOH,G-OH,G-NH2)对神经母细胞瘤细胞(SK-N-SH)的神经毒性分子机制。中科新生命提供了非靶代谢的技术服务。

研究材料:神经母细胞瘤细胞(SK-N-SH)

技术方法:非靶代谢组学

实验方法简介:

步骤1:构建不同表面修饰基团GFNs;

步骤2:不同GFNs的性质测定;

步骤3:不同GFNs的细胞毒性统计比较;

步骤4:非靶代谢组学揭示GFNs细胞毒性机制。

研究结果:

1、四种GFNs的性质测定

首先研究人员利用原子力显微镜(AFM)成像和X-射线光电子能谱技术(XPS)对四种GFNs的表面结构和原子层进行分析,发现无论初级侧向尺寸、厚度还是水合粒径都非常相似,因此推测GFNs的细胞毒性归因于不同的功能修饰基团。

GFNs的性质测定

2、四种GFNs细胞毒性比较

研究人员比较四种GFNs处理SK-N-SH 24h,48h,72h后细胞活力,发现四种GFNs毒性强度不同,按毒性大小依次排序为G-OH≈G-COOH >RGO>G-NH2;此外还发现G-NH2虽然细胞毒性最弱,但是其毒性维持时间却是四种GFNs中最长的。继而研究者从细胞膜损伤和氧化胁迫两个方面比较细胞毒性的差异,通过乳酸脱氢酶释放评估细胞膜的损伤程度,发现损伤程度由高到低依次为G-OH≈G-COOH >RGO>G-NH2。氧化胁迫来源于ROS积累和氧化电位两个方面,研究发现ROS积累与细胞活力表现一致,G-NH2相比于其它GFNs具有更高的氧化电位。研究者推测GFNs通过其功能团改变细胞膜脂质结构导致膜损伤及氧化电位改变,由此对细胞产生毒性。

GFNs细胞毒性参数统计和比较

3、非靶代谢组学揭示GFNs神经毒性的分子机制

为了更深入研究GFNs神经毒性的分子机制,研究者利用非靶向代谢组学方法研究细胞代谢物的潜在变化,PLS-DA分析发现对照组和GFNs处理组有明显差异,四种GFNs处理组之间也有显著差异(G-OH≈G-COOH除外,前面研究表明两者的细胞毒性接近)。差异代谢物功能富集分析表明GFNs显著影响细胞的糖代谢,脂质合成和抗氧化代谢等途径。四种GFNs引起的细胞代谢变化模式互不相同,例如葡萄糖,3-磷酸甘油,UDP-N-乙酰氨基葡萄糖在RGO处理组中显著下降,其它3组处理没有明显变化;氧化磷酸化相关代谢物如ADP,烟酰胺,甲基烟酰胺在RGO和G-COOH中下降而在G-NH2中上升;至于脂质合成在四种GFNs处理中变化一致(下降);抗坏血酸合成底物L-古洛糖酸-γ-内酯,以及牛磺酸(抗氧化相关代谢物)在RGO和G-COOH处理组中明显下调而在G-NH2中升高。上述结果表明不同修饰功能团的GFNs细胞毒性深层存在差异。

非靶代谢组学揭示GFNs神经毒性机制

小编小结:

本研究构建四种不同的石墨烯纳米材料(GFNs),发现不同修饰基团是产生细胞毒性的主要原因,通过细胞活力、膜损伤以及ROS等检测发现它们的毒性程度存在不同,最后通过非靶代谢组学技术检测材料处理后神经细胞代谢物变化情况,发现GFNs主要通过扰乱糖代谢、脂质合成和抗氧化途径产生毒性效应。该研究对于GFNs在组织工程和临床疾病治疗领域中的安全应用具有积极的指导意义。

非靶代谢Plus



标签:蛋白组 代谢组 多组学 中科新生命 非靶代谢
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