随着纳米技术的高速发展,纳米材料已经被应用到生活的各个领域中。近2000个纳米材料消费产品已被推向市场并被人们在日常中广泛使用。纳米材料分为零维、一维和二维材料。碳管纳米材料(CNTs)是一种具有特殊结构的一维量子材料,而二氧化锆纳米材料(Zr02NPs)属于零维纳米材料范畴。纳米材料不仅在电子器件、功能涂层、污水处理等方面,而且在药物传递、成像和组织工程等生物医药领域有着广泛的应用。这就增加了人体与这些纳米材料接触的机会。不论是通过呼吸、皮肤接触等无意途径,还是通过口服、静脉注射等有意途径,纳米颗粒进入人体可以被吸收并进入人体循环系统,然后主要在网状内皮系统的器官中积累,比如肝脏。目前纳米材料的研究与应用使纳米颗粒的物理化学性质发生了改变,而纳米材料在细胞中摄取、转运和命运主要受其本身物理化学性质的影响。了解纳米材料的安全问题,需要进一步了解纳米颗粒如何与生物系统相互作用,以及它们的生物后果是什么,这些通常都缺乏系统的研究。纳米粒子的高比表面积预示着表面化学修饰可用于调节其与生物系统的相互作用,因此我们提倡对纳米材料物理化学性质的系统化修饰的关注,并进行全面的生物评价,这一点在生成具有良好的可预测性和一定程度的可解释性的模型方面被证明是非常有效的。本论文首先研究了 84种不同表面修饰的多壁碳纳米管(MWCNTs)对肝药酶CYP3A4的代谢作用的影响,以及构建QSAR模型去预测它们之间的构效关系。已有文献报道不管给药途径是什么,MWCNTs在体内的累积器官主要是肝脏,经常是几个月或几年才被代谢掉。肝脏是人体中重要的解毒器官,碳纳米管在肝脏中的累积引起了人们对纳米颗粒是否会干扰肝脏CYP450酶代谢功能的担忧。体内研究表明有些纳米颗粒会干扰CYP450的活性,但目前尚不清楚MWCNTs是否也具有一定的干扰作用以及MWCNTs的表面性质的功能化能否调节它们对CYP450酶活性的影响。由于CYP3A4不仅是人的CYP450中含量最多(30-60%),而且是代谢药物种类最多的细胞色素家族亚系。在本工作中,我们研究了表面功能化的MWCNTs与肝药酶CYP3A4之间的相互作用。我们发现:1)静脉注射小鼠后,MWCNTs不仅进入肝kupffer细胞,还会进入肝实质细胞。由于细胞色素CYP450主要存在于肝实质细胞中,这就为我们研究MWCNTs与多种CYP450相互作用提供了必要前提;2)MWCNTs与多种CYP450酶结合,包括CYP3A4,但是不同表面修饰的MWCNTs结合CYP 450亚系酶种类略有不同,而且与CYP3A4酶的结合力也不同。这种结合改变了 CYP3A4酶的二级结构及其代谢药物的能力;3)对MWCNTs表面进行各种化学修饰,使其能够调节其对CYP3A4酶的代谢活性的影响。其中,有14个MWCNTs可以增强CYP3A4酶的代谢活性,34个MWCNTs不干扰CYP3A4酶的代谢活性和32个MWCNTs抑制CYP3A4酶的代谢活性。此外,为了量化不干扰CYP3A4活性的表面化学性质,我们对MWCNTs表面配体进行了结构-活性关系(QSAR)研究,确定了在纳米管表面长而复杂的疏水或芳香侧链的化学结构负责f-MWCNTs对CYP3A4酶活性的抑制作用,而具有较低芳香性和较少叔氮基团的是安全碳纳米管。本研究结果表明,MWCNTs的表面化学性质为调节其肝内酶的微扰提供了一种可行的途径。而且,我们可以根据系统化的修饰得到足够的实验数据建立定量的构效关系预测模型,这对于开发具有适用性的纳米材料的性质具有很大的指导意义。除了利用MWCNTs的组合化学库,本论文还研究了水处理常用的Zr02纳米材料泄露于环境后与不同的污染物共暴露于人体时产生的不同的毒性效应的系统研究。ZrO2NPs由于是一种表面同时拥有酸性位和碱性位的金属氧化物纳米材料,且耐酸碱以及较其他纳米材料相对安全等优点,常被用来合成ZrO2复合材料处理水中的污染物,比如 As(Ⅲ)、P043-F-、Pb(Ⅱ)、Cd(Ⅱ)和 Cr(VI)等。然而,Zr02 复合材料在处理水过程中会释放Zr02NPs,因此ZrO2NPs会通过口服暴露的途径进入到生物体内。纳米颗粒首先会通过胃肠道吸收进入到血液循环中,然后分布到肝脏和肾脏中,最后排出体外。所以,我们使用模拟人体口服暴露的细胞组合模型,包括GES-1(胃)、FHC(肠)、HepG2(肝)和 HEK293(肾),评估了 Zr02NPs、污染物(As、F、Pb、Cd和Cr)及ZrO2NP/污染物复合物的细胞毒性。我们发现:1)不同的污染物针对不同器官细胞是有选择性的。ZrO2NPs对不同器官来源的细胞系的毒性作用强度依次为:GES-1>FHC>HEK293>HepG2;且Pb2+和Cd2+的主要致毒靶器官是肝脏(HepG2)和肾脏(HEK293):F对HepG2之外的其他三个细胞系均表现出明显的毒性效应;As(III)对受试的四种细胞系毒性相同;Cr(VI)对GES-1之外的细胞系均有显著毒性。这充分说明建立模拟口服暴露的人类细胞组合是十分必要的。2)Pb(II)、Cd(II)、Cr(VI)、As(II)和F与ZrO2NPs联合暴露时,复合物引起的细胞毒性相当复杂,包括协同、拮抗或加和作用。例如,ZrO2NPs与Pb(II)具有协同效应增强Pb(II)在GES-1细胞中的毒性,而在HepG2和Hek293的细胞中与Pb(II)具有拮抗效应减轻Pb(II)的细胞毒性。我们的研究结果还表明,即使在国家规定的污染物排放浓度条件下,ZrO2NPs的暴露浓度低于17μg/mL时认为是安全的。使用细胞组合模型来评估这些纳米材料的危害比只使用一个或两个细胞系要合理,我们不应该仅基于单一化学毒性测试去评价它们的安全性。细胞组合模型与系统评价方法的相结合对于纳米材料及其他环境污染物健康效应的研究以及为设定泄漏纳米材料的安全区间并进一步研究NPs及其污染物复合物造成毒性的分子机制奠定了基础。除此之外,我们可以基于ZrO2NPs、污染物及其复合暴露时在人体细胞组合中的毒性大数据,建立具有良好的可预测性或可解释性的计算模型。