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由于石墨烯纳米材料具有奇特的理化性质,近十年来随着对其在光电、医药材料领域的深入研究,其越来越多的产品被应用于日常生活当中。但其毒性特征,尤其在安全可控性、环境干预性和潜在的健康风险性等方面始终没有得到深入明确的阐述。因此,如何全面系统地准确评价石墨烯纳米材料的毒理学特征,对于这一材料的研究及其在生活中的应用有着重要的价值和意义。本实验研究通过经典的医学毒性评价方法对石墨烯(Graphene,G)和水溶石墨烯(Water soluble graphene,WSG)分别作用的肝癌细胞(HepG2)和正常肝细胞(Chang liver)的毒性特征进行了多层次的高通量分析。研究了石墨烯纳米材料对肝癌(HepG2)/正常肝细胞(Chang liver)的细胞形态、细胞体内代谢酶、细胞程序性死亡(坏死、凋亡)的毒性特征。通过深入研究发现石墨烯纳米材料对MTT/CCK-8分子有吸附的干扰。在2小时内,石墨烯对MTT和CCK-8的吸附量是相应空白对照组的7%和25%,水溶石墨烯对MTT和CCK-8的吸附量是相应空白对照组的5%和12%。通过密度态计算分析发现石墨烯纳米材料诱导MTT/CCK-8分子产生电子转移,干扰了与代谢酶的还原。石墨烯纳米材料对PI和Hoechst33342分子可以产生较强的荧光猝灭现象。此外,石墨烯纳米材料对检测溶液的光路易产生定量的折/反射干扰,G和WSG在浓度为26.67μg·m L-1时对光路的阻挡强度分别为空白对照组的100倍和1100倍。通过简捷的细胞破碎和提取技术,超高效液相的高效分离技术和质谱仪的高分辨技术搭建了针对石墨烯纳米材料的细胞代谢组学分析平台。进而对石墨烯纳米材料刺激的HepG2/Chang liver细胞进行了整体的内源性代谢产物扰动分析。实验中隔离了石墨烯纳米材料与被检测目标物同时出现的现象,避免了石墨烯纳米材料潜在干扰目标物的可能性。通过代谢组学技术平台研究了石墨烯纳米材料对HepG2细胞内源性代谢产物的表型差异,发现HepG2细胞的代谢应答对G/WSG均呈现了明显的浓度依赖性特征。其中高浓度G刺激HepG2细胞谷胱甘肽的代谢量比正常代谢水平高出近1.5倍,高浓度WSG刺激HepG2细胞卵磷脂的代谢量仅是正常水平的3/5。发现石墨烯主要干扰HepG2细胞谷胱甘肽代谢、β-丙氨酸代谢、精氨酸脯氨酸代谢、甘油磷脂代谢等生物学通路;水溶石墨烯主要干扰HepG2细胞的甘油磷脂代谢、嘌呤代谢、精氨酸脯氨酸代谢、淀粉和蔗糖代谢等生物学通路。通过建立的超高效液相串联飞行时间质谱仪代谢组学技术平台对石墨烯纳米材料刺激的Chang liver细胞进行内源性代谢产物分析。研究发现不同浓度的石墨烯纳米材料刺激的正常肝细胞代谢也呈现明显的表型差异和浓度依赖性特征。其中高浓度G刺激肝细胞的色氨酸代谢量为正常代谢水平的1/2,高浓度WSG刺激肝细胞酪氨酸的代谢量低至正常代谢水平的1/2。石墨烯对正常肝细胞主要干扰了色氨酸代谢、赖氨酸代谢、嘧啶代谢和甘油磷脂代谢等生物学通路;水溶石墨烯对正常肝细胞主要干扰了酪氨酸代谢、嘧啶代谢、嘌呤代谢、色氨酸代谢等生物学通路。