纳米材料优异的物理化学性质使得它在诞生之初就受到各个行业的重视。而随着纳米科技的飞速发展,越来越多的纳米材料应用到催化、电子器件、食品、化妆品、生物医药等领域,并渗透到人的日常生活中,引起了人们对纳米材料生物效应和安全性的广泛关注。目前,纳米材料的生物效应的研究主要集中在哺乳动物细胞水平,从细胞代谢活性改变和细胞死亡等表面现象阐述纳米材料的细胞效应,对纳米材料在环境微生物,特别是环境中的真核微生物,以及生物个体中的生物学效应还知之甚少,同时对纳米材料细胞效应的深入研究,如纳米材料引起的生物学过程改变也相对较少。因此,本文围绕纳米材料引起细胞自噬异常的细胞效应,以真核微生物酿酒酵母、动物细胞HeLa和大鼠个体三个层次的生物为实验材料,对细胞自噬异常导致的纳米材料生物效应和毒性的机理进行了研究和探讨。以真核微生物酿酒酵母为实验材料,确定了碲化镉量子点在酵母群体和细胞水平的生物效应,证明自噬流阻断是碲化镉量子点一种新的毒性机制。用OD600和CFU这两种微生物学常用的方法评估了碲化镉量子点对酿酒酵母群体生长的影响,发现碲化镉量子点对酿酒酵母的生长抑制具有浓度依赖性,同时对不同粒径的碲化镉量子点(G-CdTe和O-CdTe)半抑制浓度进行比较,通过两种方法得到G-CdTe半抑制浓度为318.2 ± 63.2和 186.6 ± 19.7 nmol/L,O-CdTe 半抑制浓度为 84.0 ± 13.1 和 59.4 ± 12.0 nmol/L,说明碲化镉量子点对酿酒酵母的生长抑制具有粒径依赖性。进一步探究量子点影响酵母生长的机制,对酵母的细胞周期变化和细胞死亡进行研究,发现碲化镉量子点会引起G2/M期细胞增加15.34%而细胞死亡没有明显变化,说明碲化镉量子点主要通过影响细胞周期来影响酵母生长。通过扫描电子显微镜和生化分子的方法对碲化镉量子点的细胞效应进行深入研究,发现碲化镉量子点会导致胞内自噬相关膜泡的积累以及胞内GFP/GFP-Atg8的比值显著下降(p<0.01),表明碲化镉量子点会引起酿酒酵母细胞自噬流阻断。对细胞自噬在碲化镉量子点毒性中的作用进行探究,发现自噬流的部分恢复能够降低碲化镉量子点对酿酒酵母的毒性(p<0.05),表明自噬流的阻断是碲化镉量子点的毒性的机制之一。而对量子点组分镉离子在其毒性发挥的作用进行研究,证实镉离子在量子点引起的细胞流阻断和毒性中起着重要作用。基于以上结果,推测碲化镉量子点通过部分阻断自噬流,造成细胞周期停滞从而产生酿酒酵母群体生长抑制的效应,表现出碲化镉量子点的毒性。以人宫颈癌HeLa细胞为实验材料,确定了氧化钆纳米粒引起自噬流阻断的细胞效应,证明自噬流阻断是氧化钆纳米粒潜在的毒性机制。通过MTT法评估了氧化钆纳米粒对HeLa细胞存活的影响,发现在处理24 h后,氧化钆纳米粒并不会产生明显细胞活性降低的效应。而通过MDC染色、免疫荧光等方法深入研究氧化钆纳米粒的细胞效应,发现氧化钆纳米粒会引起HeLa细胞自噬体聚集的效应,进一步研究证实这是由自噬流阻断造成的。同时在处于顺铂造成的环境压力下,氧化钆纳米粒的加入使细胞存活率从90.3%下降到70.9%(p<0.001),同时顺铂引起的细胞凋亡比例从14.11%提高到27.53%,而用雷帕霉素恢复自噬流能够显著降低氧化钆纳米粒的增强效果(p<0.05),说明了氧化钆纳米粒引起的自噬流阻断是一种潜在的毒性机制。此外,核磁造影性能和化疗疗效增强的能力使氧化钆纳米粒具有成为癌症诊断治疗一体化材料的潜力。以SD大鼠为实验材料,确定了纳米二氧化钛在大鼠个体、肠道细胞和肠道微生态水平的生物效应,并探讨了自噬流阻断在纳米二氧化钛生物效应和毒性中的作用机制。对纳米二氧化钛在大鼠中的个体效应进行评估,发现在喂食低浓度(P25-L,200 mg/kg体重)和高浓度(P25-H,1 g/kg体重)纳米二氧化钛4周后,实验组的大鼠的体重比对照组降低58g左右(P25-L,p<0.01;P25-H,p<0.001)。为探究原因,对大鼠器官重量和肝肾功能指标进行检测,发现喂食二氧化钛对大鼠器官重量以及肝肾功能均无明显影响(p>0.05),说明二氧化钛对器官并未造成明显损伤。通过对与纳米二氧化钛直接接触的大鼠肠道细胞进行免疫荧光分析和结构功能检测,发现纳米二氧化钛会造成小肠和结肠细胞自噬流的阻断,同时引起小肠吸收能力显著降低(P25-L,p<0.05;P25-H,p<0.001)和结肠部位病变,推测自噬流的阻断可能是造成小肠吸收能力的降低和结肠部位的病变的原因。对纳米二氧化钛对肠道微生态的效应进行研究,发现纳米二氧化钛会引起大鼠肠道内变形菌门比例从3.3%上升到4.49%,同时硫弧菌属和瘤胃球菌属两个属的细菌比例分别从0.93%上升到3.75%(p<0.001)和0.26%上升到3.43%(p<0.001),与炎症性肠炎患者中菌群的改变相似,说明纳米二氧化钛对肠道微生物菌群产生了不利影响。基于以上结果,推测纳米二氧化钛通过阻断小肠细胞自噬流来影响小肠的吸收功能,同时通过阻断结肠细胞自噬流和影响肠道菌群共同导致结肠部位病变,从而影响大鼠体重的增长。综上所述,本文从纳米材料引起的细胞自噬流阻断效应为主线,在真核微生物酿酒酵母、动物细胞HeLa和大鼠个体三个层次研究了自噬流阻断导致的群体、个体和微生态效应,探讨了纳米材料引起的自噬流阻断在其生物效应和毒性中的作用机制,为更好地理解纳米材料的生物效应和毒性提供了实验和理论依据。