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石墨烯独特的二维结构赋予其高效负载、光热效应、光致发光等诸多优异性能,在生物医学领域的应用受到广泛关注。现有的研究更多聚焦于其功能对最终治疗效果的影响,忽视了该材料的二维尺度可能带来的特殊生物学效应。本论文分别对石墨烯体内注射后与之相互作用的两种关键细胞(巨噬细胞、血管内皮细胞)进行生物学效应评价,发现了聚乙二醇修饰的氧化石墨烯(PEGylated graphene oxide,GO-PEG)的体内免疫激活效应以及隐形活化的特殊机制,并评估其生物安全性。论文具体开展的研究工作如下:1.构建了具有良好生物相容性的GO-PEG,考察了 GO-PEG活化巨噬细胞的体内效应。在氧化石墨烯(graphene oxide,GO)的基础上,通过聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)化学修饰成功制备出粒径200-300 nm、厚度5-10 nm、表面带负电的GO-PEG。体内研究结果表明,单次腹腔注射GO-PEG诱导的体内炎症因子分泌水平呈剂量依赖性;多次腹腔注射GO-PEG诱导的体内炎症因子分泌水平无注射次数依赖性。基于上述体内实验结果,进一步揭示了 GO-PEG激活体内免疫的机制:GO-PEG通过与细胞膜相互作用引起磷脂局部簇集,刺激并介导细胞膜上的整合素αvβ8发生力学转导,从而募集细胞膜内侧的Talin,促进巨噬细胞分泌大量细胞因子。2.研究了 GO-PEG对血管内皮细胞应激性行为的影响,发现了 GO-PEG特殊的隐形活化效应。通过PEG修饰GO改善了其对于血管内皮细胞的生物相容性,并赋予其隐形效应。GO-PEG在不被血管内皮细胞内吞的情况下隐形活化血管内皮细胞,分泌大量炎症、趋化、粘附相关细胞因子。GO-PEG的隐形活化作用表现为:影响血管内皮细胞的形貌形态变化(细胞面积、长度、宽度增加,细胞核圆度、细胞圆度降低);在保持细胞膜完整性的前提下加快膜流动性。3.揭示了 GO-PEG隐形活化血管内皮细胞的细胞膜起始位点,阐明了微观作用机制。利用基因测序分析和拮抗剂抑制考察确定了细胞膜上L型C a2+通道Cav 1.3作为起始位点在血管内皮细胞活化过程起到关键作用。GO-PEG与细胞膜通过水平吸附/竖直嵌插两种相互作用导致L型Ca2+通道Cav1.3上调,从而促进Ca2+内流,将胞外力学信号转化为内部的化学信号,促进细胞因子分泌,隐形活化血管内皮细胞。4.考察了静脉注射GO-PEG的生物安全性,并基于动脉粥样硬化模型,评价了 GO-PEG在加速动脉粥样硬化发生过程的效应。体内毒性实验表明,单次静脉注射低剂量GO-PEG表现为无毒性;单次注射高剂量GO-PEG引发急性炎症反应、肝脏内炎性细胞浸润;多次静脉注射低剂量GO-PEG诱导轻微炎症反应,引起肝脏、肾脏功能失调,注射结束后功能恢复正常。基于动脉粥样硬化模型,揭示了长期静脉注射低剂量的GO-PEG诱导血管炎症,从而加速动脉粥样硬化斑块形成,提示长期静脉注射对患者的潜在病理影响。上述体内安全性评估为二维材料安全合理的应用奠定基础。