神经系统的纳米材料论文范文

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1纳米材料对神经元离子通道的作用

离子通道是一类位于细胞膜上的蛋白，其本质是离子传导通路的跨膜孔道，通过其门控特性来控制离子在细胞内外的流动．通道的开放(激活)可被许多因素影响，例如配体、递质或者是直接作用于通道的外力以及跨膜电压的改变等．通道上具有特殊的电压传感装置，用以控制通道的门控性质，这在胞内信号转导、维持静息膜电位、产生兴奋性(或抑制性)的突触电位以及动作电位中发挥重要的作用，因此在中枢和外周神经系统中离子通道是调节兴奋性的基础．2005年，Yuan等［17］在急性分离的脊髓背根神经节(dorsalrootganglion，DRG)细胞上观察了纳米硒(Nano-Se)对电压门控钠离子通道的作用．发现Nano-Se能够不可逆地降低对河豚毒素(tetrodotoxin，TTX)敏感的钠通道电流(INa)幅值，并且这种作用具有浓度依赖性;相反却对TTX不敏感的INa无影响．进一步分析通道动力学特征后发现Nano-Se能够在不改变TTX敏感钠通道激活阈电位的情况下，改变该通道的电压敏感性．同时，作者将Nano-Se的作用与Na2SeO3做对比后发现，1nmol/L的Nano-Se比同样浓度的Na2SeO3具有更强的抑制作用．这些结果证明Nano-Se是一种新型的与Na2SeO3有着不同结合位点的通道拮抗剂．随后，Yuan等［18］又探究了另一种纳米态红色元素硒(Nano-redSe)对电压门控钠通道的作用．有趣的是，这一结果与Nano-Se的作用相似，例如Nano-redSe对TTX敏感的钠通道也发挥抑制作用，而对TTX不敏感的钠通道也无影响．动力学分析发现Nano-redSe使得钠通道的稳态激活和失活过程在较低的电压下就能发生，失活后恢复的时间更长．但与Nano-Se的作用不同的是，Nano-redSe作用是可逆的．除外周神经元外，人们逐渐将研究重点转向中枢神经系统内神经元特别是海马神经元．例如Tang等［19］发现未经修饰的硒化镉量子点(unmodifiedCdSequantumdots，QDs)能够损伤培养海马神经元上电压门控钠通道的功能特性．QDs使得钠通道的稳态激活曲线向去极化方向移动，从而延迟了通道的激活;而其稳态失活曲线则发生负向移动，即使钠通道从失活态到静息态转化的时间延长，从而降低了静息态钠通道的数量与功能．作者推测其机制可能是QDs或者其降解物与钠通道亚基结构域Ⅱ中处于胞外的S4片段中S3-S4环相结合，而这一部位是通道的电压传感器．另外QDs还能延长激活的时间常数，提高通道的激活阈电位．这些结果都证明了QDs确实改变了电压门控钠通道的电生理特性，是其产生毒性的作用机制之一．

根据市场分析资料表明，商品化纳米颗粒大多是金属及金属氧化物［20］，因此关于金属及金属氧化物纳米颗粒对神经元细胞膜离子通道作用的研究也相对较多．例如Xu等研究了纳米氧化铜(Nano-CuO)颗粒对急性分离的海马神经元上两种电压门控钾离子通道电流(瞬时外向钾电流IA和延迟整流钾电流IK)的作用，发现Nano-CuO能够抑制IK(浓度依赖)，而对IA影响不大．并通过对两种通道的激活、失活以及恢复动力学特征的分析发现，Nano-CuO主要影响了IK的失活过程．这些结果提示Nano-CuO通过优先作用于延迟整流钾通道对海马神经元产生一定的毒性作用．该实验室进一步的研究结果发表于2011年，Liu等［23］发现Nano-CuO还能够抑制电压门控INa，延长动作电位的上升时间并探讨了Nano-CuO产生作用的信号通路机制，提出Nano-CuO是通过氧化应激途径对INa产生影响，而非G蛋白偶联的信号通路．与Nano-CuO对电压门控通道的抑制作用相反，Zhao等［24］发现纳米氧化锌(Nano-ZnO)对电压门控通道(包括钠通道、两种钾通道)以及动作电位则起到上调的作用．例如Nano-ZnO(10－4g/mL悬浮液)增加了INa的幅值，并改变了其失活和失活后恢复的动力学参数．同样，两种钾电流(IA和IK)的幅值也有所增加，但对其门控的动力学特征影响不大．最后通过对动作电位的记录发现，其发放频率增加，超射值增加以及半峰宽减少．因此认为，Nano-ZnO能够通过增加通道电流来增强海马神经元的兴奋性，并进一步导致细胞内外离子稳态的平衡，造成神经元生理功能异常．而后，Zhao等又发现Nano-ZnO能够增加海马神经元电压门控钙通道电流，从而引起胞内钙离子超载导致细胞毒性．他们认为Nano-ZnO对这些电压门控通道的作用会发生协同作用，进一步促使海马神经元兴奋性增加，对海马神经元产生去极化诱导的损伤，并最终增强了神经退行性过程，促使细胞凋亡．纳米银(Nano-Ag)也是一种应用广泛的金属纳米材料，应用于生物传感、广谱抗菌药、医用绷带、洗涤剂以及衣物中．Liu等［26］于2009年发表的工作中首次将Nano-Ag的神经毒性集中于对神经细胞电生理特性的影响，结果发现Nano-Ag(10－5g/mL)显著降低了海马神经元电压门控INa的幅值，并改变了其通道的激活和恢复过程．这也直接导致了Nano-Ag对动作电位特征的改变(例如峰值和阈电位降低，半峰宽增加等)．

在另一研究中，Liu等［27］同样观察了Nano-Ag对海马神经元上电压门控钾离子通道的作用，发现IA和IK的幅值都显著降低，IK的稳态激活曲线向超级化方向移动，而IA的失活和失活后恢复过程均被改变．这些结果都证明了Nano-Ag对中枢神经元上的离子通道产生了异常影响，引起神经元兴奋性发生异常变化，并最终干扰神经元行使正常的生理功能．但对于Nano-Ag如何改变离子电流的机制并没有阐明．除金属及金属氧化物纳米颗粒外，也有少数研究者观察了碳化物纳米颗粒对神经细胞上离子通道的作用．例如Chen等［28］观察了多壁碳纳米管(multiwalledcarbonnanotubes，MWCNTs)对海马神经元上电压门控离子通道及突触传递的影响，结果发现其能够通过抑制电压门控钾电流来增加神经元的兴奋性，并降低海马谷氨酸能的突触传递效能，进而使神经元发生损伤．同时Shan等［29-30］探讨纳米碳化钨(nano-tungstencar-bide，Nano-TC)对海马神经元电压门控通道的影响，发现10－7g/mL浓度的Nano-TC就能够显著抑制电压门控钾和钠通道电流，并改变动作电位的波形．除了电压门控离子通道电流，纳米材料对于某些特定的受体门控电流也会产生影响．例如Chin等［31］发现带负电荷纳米金(Nano-Au，1.4nm)和胆碱形成的复合物能够完全抑制PC12细胞上N型乙酰胆碱受体电流．这一特性使其能够作为一种有效的静脉麻醉药应用在临床上，并且认为其机制是Nano-Au阻塞了通道并妨碍离子运动或者阻止通道构象发生改变．而Jung等［32］的研究认为Nano-Au除了对离子通道的直接作用外，还存在其他作用．他们观察了在胞内给予两种浓度Nano-Au颗粒时对小鼠海马CA1神经元电学特性的作用，结果发现Nano-Au能够增加神经元的兴奋性，即动作电位数目增加，其内在机制可能是通过增加细胞的输入电阻、降低阈值和发放时程以及减少后超极化电位的幅值来实现的．在进行较长时间的去极化刺激时，动作电位会进行持续的反复发放，在这种背景下，Nano-Au能够诱导动作电位发生阵发性的去极化发放．Jung等还发现，在病理条件下Nano-Au能够加重由低镁诱发的癫痫样活动．这些结果都提示，Nano-Au能够改变神经元的内在电生理特性，即增加其兴奋性，并且在病理条件下(如癫痫)会对神经元产生有害作用．

关于纳米材料对神经元膜上离子通道影响的研究简要总结见表1．从表1可以看出大脑中的海马区很可能是纳米颗粒的作用靶点，并成为中枢神经系统损害最严重的部分．纳米材料通过改变通道的激活、失活以及失活后恢复过程的动力学特征对离子通道主要产生抑制作用，但也有的纳米材料能够增加通道电流，其具体的机制并没有做详细阐述．关于它们之间的相互作用机制，早在2005年Ramachandran等发现QDs能够通过插入脂质双分子层作为带电区域而改变膜上电压门控电流的特征．最近dePlanque等［34］直接观察了一种纳米材料与神经元膜之间的作用，他们发现纳米二氧化硅(Nano-silica)在极低的浓度下(fmol/L级)就可以穿过细胞膜，并以浓度依赖的方式增加膜电流，且能够在一定程度上降解脂质双层膜的屏障功能．近年来，越来越多的生物学家将数学工具引入研究中，通过数据挖掘得到更多更深入的信息．2010年，Busse等利用微分进化(differentialevolution，DE)算法将记录到的Na电流进行拟合，用以研究Nano-Ag对肾上腺嗜铬细胞膜电流的影响．根据计算模型来评价神经元电生理性质变化的参数特征并得出结论，Nano-Ag主要通过降低钠通道的电导或者减少待开放的通道数量，即可以不通过阻塞通道就使电压感受器失活，从而改变通道的电压敏感性．由于不同的纳米材料具有不同的物理化学特征，因此它们与离子通道作用的机制可能也不尽相同，还需进行更深入具体的研究，也期待能够结合更多的技术手段．

2纳米材料对神经元电活动及突触传递的作用

细胞膜上的各种离子通道是决定神经元兴奋性的分子基础，而离子通道很有可能是许多纳米材料对神经元作用的靶点．神经系统的神经元膜上离子通道参与递质释放、激素分泌、信号转导、代谢调控及细胞生长等重要生理过程的调控，因此纳米材料对单个神经元的电活动及突触信息传递功能也会产生一定的作用．在急性实验中，Belyanskaya等［36］研究了不同团聚程度的单壁碳纳米管(single-walledcarbonnanotubes，SWCNTs)对两种神经系统的原代培养细胞(鸡胚胎脊髓细胞和背根神经节细胞)的作用，结果发现SWCNTs悬浮液对这两种中枢和外周神经系统中的神经元都产生了毒性作用，并且与纳米材料的聚集程度有关．在电生理学实验中也发现，神经元的电学特性也有所改变，例如背根神经节细胞的静息电位变小、细胞膜电容降低、离子通道电导变小等，而动作电位半峰宽、阈值等变化不大．相反，SWCNTs对脊髓细胞的影响却很小，说明其对外周神经元的作用比对中枢神经元要更加明显．上述研究主要观察了纳米材料对单个神经元电生理特性的作用，而Liu等［37］则在离体层面探讨了Nano-Ag改变突触传递效能的机制．以海马脑片为研究对象，作者选取了三突触通路中的CA3-CA1谷氨酸能突触通路，记录了Nano-Ag(10－6g/mL，10－5g/mL和10－4g/mL)对CA1神经元上的自发兴奋性突触后电流(spontaneousexcitatorypostsynapticcurrents，sEP-SCs)和微小兴奋性突触后电流(miniatureexcitatorypostsynapticcurrents，mEPSCs)的影响，结果发现mEP-SCs的频率和幅值都显著降低，且具有浓度依赖性及可逆性;而sEPSCs的频率和幅值却显著增强，同时伴随自发动作电位发放频率的增加．这些结果说明Nano-Ag主要通过突触前(抑制递质的释放量)和突触后(降低谷氨酸受体效能)机制对CA3-CA1谷氨酸突触传递产生影响．而对sEPSCs的增强效果主要受到增强动作电位发放的影响．Liu等又进行了在体动物实验，将大鼠长期暴露于Nano-Ag后2周，记录海马的长时程增强(long-termpotentiation，LTP)，发现其场兴奋性突触后电位(fieldexcitatorypostsynapticpotentials，fEPSPs)被抑制，说明Nano-Ag损伤了海马区穿通纤维(perforantpath)到齿状回(dentategyrus)，即PP-DG通路的突触传递效能，损伤突触可塑性，并最终导致大鼠的空间记忆能力降低．同样，An等［39］也观察了Nano-CuO的亚慢性神经毒性，结果也证实了它能够降低海马突触传递效能，他们认为其机制是纳米材料通过扰乱神经系统的氧化-还原稳态从而改变了突触可塑性．这是由于在正常生理情况下，需氧细胞会产生少量的活性氧，可被机体的抗氧化防御系统所清除，维持正常的氧化-还原状态．

但由于纳米材料表面活性高，更易发生氧化还原反应，导致活性氧大量生成，使得机体内氧化系统和抗氧化系统平衡遭到破坏，发生氧化应激反应，进而引起生物体的氧化损伤．与之前的抑制结果不同，Han等［40］给予大鼠连续2周Nano-ZnO(4mg/kg，4mg/mL)后则发现Nano-ZnO处理组的突触传递效能异常增强，同时去增益现象不充分．Han等认为这种变化的不一致性是导致大鼠学习过程延长且重新学习能力下降的原因．更重要的是，纳米材料的神经毒性不仅体现在直接接触的动物上，而且在其子代身上也有反映．由于神经毒性可以轻易通过一些生理屏障，例如胎盘，因此在长期接触纳米材料动物的子代身上也有可能引起一定的毒性．Gao等［41］的研究证实了这一点，他们将纳米材料暴露于围产期大鼠(孕期和哺乳期各20天)来研究其子代突触可塑性的变化．结果发现，哺乳期和孕期纳米二氧化钛(Nano-TiO2)暴露后的子代大鼠突触传递效能降低，即损伤了短时程和长时程的突触可塑性．关于纳米材料影响突触传递效能的原因尚不明确，但已有多项研究表明，小鼠暴露于金属氧化物纳米颗粒后，中枢类胆碱能系统功能紊乱，一些单胺类神经递质如去甲肾上腺素和5-羟色胺及其代谢物含量显著升高，而乙酰胆碱、谷氨酸盐等含量显著下降，小鼠的空间定位能力受损［42-44］．因此影响神经递质系统的代谢可能是纳米材料改变突触传递效能的重要原因之一．然而，纳米材料对神经系统电生理特性的影响不仅仅体现在毒性作用上．例如在神经医学领域的研究证实功能化的碳纳米管(CNTs)可以作为组织工程支架为细胞生长及组织再生提供诱导和支持，且与机体组织有很好的相容性．CNTs可以作为生物支架，向细胞发出有序的生物学信号，促进神经元电信号的传导和神经纤维的生长，引导组织重建．Lovat等［45］于2005年报道以CNTs作为培养基质，能够大大提高体外培养海马神经元的神经发放频率及细胞之间的信息交流能力．实验首先比较了在是否存在CNTs基质的情况下细胞内电生理特性的区别，例如静息膜电位、输入阻抗、膜电容、动作电位的幅值、半峰宽等，但都没有发生显著变化．然后记录神经元的自发放电以及突触后电流(PSCs)，发现培养在CNTs基质上神经元的自发放电频率增加，说明其兴奋性提高;同时，表征神经元间信息交流的PSCs频率也增加(幅值不变)，并且这种增加主要体现在抑制性的突触传递中．作者认为，这种神经信号传递效能的增强是由于CNTs这种纳米材料自身的特殊性(例如高导电性)造成的，而不能归结于细胞与CNTs基质之间的相互作用．而后Fabbro等［46］又发现MWCNDTs基质(20～30nm)能够促进急性分离的未成熟大鼠脊髓神经元的生长发育，通过记录神经元的电生理特性，发现这些神经元的功能正趋向成熟．

在病理情况下，有些研究者认为纳米材料也能在一定程度上改善神经系统的电生理功能．例如Das等［47］发现纳米氧化铈(Nano-CeO2)能够促进成年大鼠损伤脊髓中的神经元存活，并使得受损神经元的电学特征恢复到正常神经元水平，例如产生正常的内外向电流和动作电位．同样Xie等［48］的实验对象则是抑郁症模型大鼠，结果是Nano-ZnO显著增强了抑郁症模型大鼠海马PP-DG区的LTP，提示其有可能对抑郁大鼠的认知功能起到一定的改善作用．作者提出Nano-ZnO对神经功能的影响具有双向效应，可能依赖于具体的生理病理状态，但其中的具体机制还有待探讨．另一项有意义的研究是针对外周神经元进行的．2009年，Viswaprakash等［49］探讨了初级嗅觉传导过程的机制，即气味分子在与嗅感觉神经元上相应的受体结合之后是如何进一步激活下游的G蛋白信号转导的．根据之前的研究，作者推测Zn离子在其中发挥作用，通过电生理学方法(嗅电图和全细胞膜片钳)检测了纳米锌(Nano-Zn)对大鼠的嗅上皮细胞的气味反应程度是否有影响．结果发现，极低浓度的Nano-Zn(fmol/L到nmol/L级)就能够显著地增强嗅上皮细胞的气味反应并且存在浓度依赖特征，但在单独存在的情况下并不能兴奋嗅神经元．而其他金属如铜、金或银的纳米材料却不会产生类似的效应．更有趣的是，同样浓度的游离Zn2+反而会降低嗅觉受体神经元对气味剂的反应．根据这些结论，作者提出Nano-Zn颗粒可以用于增强和维持初级嗅觉事件，并推测其作用的机制可能是Nano-Zn定位于鸟嘌呤核苷酸和受体蛋白之间并为他们之间的信号转导提供桥梁．总结以上文献可以发现，纳米材料对神经元电信号及信息传递功能的影响既有积极作用也有毒性作用，这种双向作用与特定纳米材料的物理化学特性、浓度、作用时间以及应用环境等条件都有很大关系．

3纳米材料对神经网络电活动的作用

关于纳米材料对某些神经网络电活动作用的研究开展很少，并且起步较晚．2010年，德国的Gramowski等［50］首次利用微电极阵列神经芯片研究了纳米材料对神经网络电活动的影响．他们在微电极阵列神经芯片上培养鼠皮层神经元，然后观察了神经元摄取纳米材料的情况和纳米颗粒及其团聚物在细胞表面附近的累积情况．如图1［50］所示，通过光栅扫描电子显微镜(rasterscanningelectronmicroscopy，REM)和透射电镜(transmissionelectronmicroscopy，TEM)观察到Nano-TiO2的累积情况．然后作者进一步检测了3种纳米材料:纳米炭黑(carbonblack，CB)、纳米氧化铁(Nano-Fe2O3)和Nano-TiO2对皮层神经元网络电活动的影响．结果发现，即使在较低的浓度下(1～10ng/cm2)，3种纳米材料都扰乱了神经网络的电活动(降低动作电位的发放频率和簇状发放频率)，其中，CB的效果最强，其次是Fe2O3和TiO2．同时CB的作用还具有双向性，在低浓度(1～100μg/cm2)时产生抑制电活动的效果，而在较高浓度(100～300μg/cm2)下则产生增强效果．该研究证明了较低浓度的纳米材料在较短的时间内即可通过干扰神经网络的电活动而产生神经毒性作用．而后Oszlanczi等［51］检测了纳米氧化锰(Nano-MnO2，23nm)对大鼠的亚慢性和慢性神经毒性，分别进行了行为学和电生理学实验来进行评价．行为学主要采用的是旷场(field，OF)实验来检测动物的自发运动行为，结果发现大鼠的运动能力随着Nano-MnO2暴露时间的延长(3周、6周、9周)而逐渐减弱．而在电生理实验中作者主要观察了Nano-MnO2暴露9周的大鼠，首先记录了初级感觉皮层的脑皮层电图(electrocorticogram，ECoG)，分析各频段的功率谱后得到ECoG指数用以评价皮层的活动，结果发现Nano-MnO2处理组的慢波能量降低而快波能量增加，即delta波能量降低而beta和gamma波显著增强．第二个电生理实验为通过刺激感觉皮层来记录诱发电位(evokedpotentials，EPs)，分析其潜伏期和时程．结果发现Nano-MnO2处理组的EPs潜伏期显著延长，而时程变化不明显，这意味着皮层的易疲劳性增加．第三个实验是记录了大鼠尾神经上的复合动作电位，进而分析神经的传导速率和不应期的长短，结果发现Nano-MnO2处理组尾神经的传导速率与对照组相比显著下降，而动作电位的绝对不应期则大大增加．这些结果从电生理的角度提示:Nano-MnO2能够改变中枢神经系统的功能．两年后，Takacs等［52］又重新设计实验再次确定了脑内Mn含量与皮层脑电活动变化的关系，并分析了这些变化对其行为学的影响．类似地，Papp等［53］又观察了另一种纳米材料，纳米CdO2(Nano-CdO2)对神经系统的慢毒性作用，结果发现与Nano-MnO2的作用相似，例如在3个不同的皮层区域自发皮层电活动都发生了显著的时间和剂量依赖改变，视觉和听觉皮层诱发电位的潜伏期延长等．这些结果提示:不同纳米材料对神经系统电信号的影响机制可能存在一定的共性．除了利用急性和慢性动物实验来观察纳米材料对神经网络电活动的作用，还有的学者利用计算机建立起神经网络模型，再根据实验结果进行拟合后做更详细分析．如2013年Busse等［54］再次运用计算机模型探讨了带有机涂层的Nano-Ag对神经环路的影响，通过将钠电流的数字模拟结果整合到一个已知的神经环路-丘脑皮层环路中来预测Nano-Ag对环路中所有神经元放电形式的影响．结果发现Nano-Ag对钠电流的抑制有可能在整个神经网络层面导致神经元放电的异常．

4总结与展望

从已有纳米材料对神经元膜上离子通道影响的研究结果可初步得知:大脑中的海马区很可能是纳米颗粒的作用靶点，并成为中枢神经系统损害最严重的部分;其基本作用机制可理解为:纳米材料通过改变离子通道激活、失活以及失活后恢复过程的动力学特征产生抑制通道作用，而有的纳米材料能增加通道电流的作用机制尚不甚明确，有待进一步深入研究、详细阐明．而纳米材料对神经元电信号及信息传递功能的影响既有积极作用也有毒性作用，其双向作用与特定纳米材料的物理化学特性、浓度、作用时间以及应用环境等条件都有很大关系．如何避免纳米材料对神经元电生理特性的毒副作用并最大限度地发挥其积极作用是今后相关研究中纳米材料选取、实验方案设计、作用机制激发等层面需细心考虑的关键问题，也为纳米材料在神经系统疾病诊断、治疗和康复研究与应用指明了努力方向．关于纳米材料对某些神经网络电活动作用的研究虽然起步较晚、开展尚少，但随着纳米材料研究开发与纳米技术应用的迅速发展，已为该领域研究提供了诸如微阵列神经芯片、扫描电子显微镜和超级计算机技术等多种先进的信息检测、图像处理工具，相信终能查明其影响细节、揭示其作用机理．目前关于各种纳米颗粒的神经毒性已经引起人们重视，然而对其进入神经系统后改变电生理特性的细节研究仍非常有限，特别是其作用机制尚未阐明．在病理状态下，电生理性质的变化往往发生较早，并且会导致严重的功能障碍，因此纳米材料对神经系统早期作用的研究更具有重要意义．然而至今相关检测数据与研究结果皆来自动物实验，如何由此推断纳米材料对人类神经系统作用效果，显然存在巨大挑战．这是由于纳米材料在人类和啮齿类动物中的转运及作用机制可能完全不同，因此迫切需要进行大量实验研究．

总之，纳米材料在神经系统疾病诊断、治疗和康复的研究与应用方兴未艾，任重道远．相信通过从离子通道、神经元和神经网络电活动等层面观察研究纳米材料对中枢及外周神经系统电生理特性影响细节过程，最终能揭示其作用机制并找到抑制其毒副作用、发挥其积极作用的有效途经，为纳米材料在生产和生活中的应用提供指导，为在临床中设计和开发新型给药系统提供理论基础．希望本文能为从事纳米材料在神经系统疾病诊断、治疗和康复研究与应用的同仁提供参考与帮助。

作者：杨佳佳万柏坤明东单位：天津大学精密仪器与光电子工程学院