近些年来纳米材料在生物医学中得到了广泛的研究。金纳米棒由于其独特的物理化学和光学性质,在细胞成像、药物运输以及生物医学诊断和治疗等方面显示出一定的应用潜力。与此同时,碳纳米管因具有极强的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特征,而在医学、光学及电子产品等领域得到了广泛研究。虽然这些材料应用前景广泛,但目前仍缺乏其对机体影响的系统而全面地评价。本论文旨在通过代谢组学评价十六甲基溴化铵(Cetyltrimethyl ammonium bromide, CTAB)种子生长法合成的金纳米棒经过不同表面修饰后对细胞的影响,以及评估不同形状、不同纯度的碳纳米管对自发性高血压大鼠和正常Wistar大鼠的急性与亚慢性毒理作用。目前,CTAB是金纳米棒制备过程中应用非常广泛的诱导剂与稳定剂。CTAB的使用一方面可促进棒状金纳米颗粒的形成,另一方面保证了金纳米棒良好的分散性。但CTAB分子在金纳米棒表面吸附,也导致了生物分子很难与金纳米棒耦联,并且金纳米棒溶液中游离的大量CTAB分子对蛋白分子有毒性,这些限制了其在生物分析中的应用。因此,研究人员通常会对金纳米棒进行各种表面修饰,屏蔽CTAB分子的同时还可实现多功能化。但是,目前对金纳米棒经过不同表面修饰后,对细胞代谢会产生何种影响,没有明确报道。因此,我们在第一部分课题中使用代谢组学技术并结合分子生物学、细胞成像方法研究了不同表面修饰金纳米棒对A549细胞及16HBE细胞的代谢影响。A549细胞来源于人肺腺癌细胞,而16HBE细胞来源于正常人支气管上皮细胞。PSS(聚苯乙烯磺酸钠)、PDDAC(聚二烯丙基二甲基氯化铵)和PEI(聚乙烯亚胺)被用于修饰金纳米棒,合成后的PSS金纳米棒表面呈负电荷,而PDDAC及PEI修饰的金纳米棒表面呈正电荷。我们发现正电荷与负电荷的金纳米棒引发细胞不同的代谢应答。同时,这些金纳米棒对A549细胞的毒性作用以及代谢影响明显大于16HBE细胞。PEI修饰的金纳米棒显示出对A549细胞最大的杀伤作用及代谢紊乱,同时对16HBE细胞具有较小的影响。金纳米棒导致的这些代谢影响主要表现在能量代谢、胆碱代谢、己糖胺途径以及氧化应激等方面。另外,我们发现阳离子金纳米棒可能会靶向胆碱代谢来杀伤癌细胞。同时,我们使用基于核磁共振的代谢组学方法系统地评价了四种不同的多壁碳纳米管对自发性高血压大鼠以及正常Wistar大鼠的急性与亚慢性毒理作用。我们通过气管滴注的给药方式,分析了高纯度以及低纯度,平行排列及短碳纳米管对于自发性高血压大鼠以及正常Wistar大鼠的急性和亚慢性代谢影响,系统地了解了动物肺、肝、心、脾脏组织中代谢组变化。结果发现碳纳米管主要通过影响机体能量代谢、氧化应激产生作用。碳纳米管对高血压大鼠的心肺代谢影响明显大于对正常Wistar大鼠的影响。而平行排列碳纳米管的毒性大于短碳纳米管,低纯度碳纳米管对机体代谢影响大于高纯度碳纳米管。本论文采用代谢组学研究方法,系统地研究了金纳米棒与碳纳米管对机体的代谢影响,为理解这些纳米材料的生物学效应提供了较为详实的代谢组分子信息,这些信息对理解纳米材料与生物体的作用以及为设计及筛选更高效低毒的纳米材料具有指导作用。