南京大学环境学院毛亮课题组关于石墨烯生物安全性研究取得新进展

石墨烯具有优异的光学、电学、热学和力学等性能,在能源催化、人工光合作用以及生物医学等领域展现出了重要的应用前景。然而,石墨烯的生物安全性评估是其应用推广和可持续发展面临的重大需求。

图1.石墨烯在小鼠肝脏细胞中的分布及其在Kupffer细胞中的转化机制

毛亮研究团队率先采用原位催化石墨化的方法成功合成了C-14标记的石墨烯,实现了对复杂生物体内石墨烯的准确追踪和定量。利用β射线激发闪烁体发光原理及元素成像等手段,阐明了单次、低剂量、长周期暴露后,不同尺寸石墨烯在小鼠器官、细胞以及亚细胞水平的分布特征、迁移转化规律及其致毒机制。结果发现石墨烯进入肝脏后主要分布于Kupffer细胞、肝脏内皮细胞和肝细胞,且主要附着在细胞膜周围(图1A)。随着暴露时间的延长,大尺寸石墨烯导致血红细胞膜的破裂,而破裂的血红细胞被Kupffer细胞吞噬,从血红细胞内释放出来的血红蛋白在Kupffer细胞内被降解为血红素,导致Kupffer细胞内的铁含量不断增加,进而破坏铁平衡,诱发了类芬顿反应,引起了石墨烯的一系列转化(1B)。该研究成果(Kupffer Cells Degrade 14C-Labeled Few-Layer Graphene to 14CO2 in Liver through Erythrophagocytosis)于2020115ACS Nano在线发表(https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07452),南京大学环境学院助理研究员卢坤为本论文的第一作者,董仕鹏为共同作者,毛亮和美国加州大学洛杉矶分校夏天副教授为共同通讯作者。

同时,研究还发现进入细胞内的石墨烯会对亚细胞器的功能产生影响,如石墨烯进入水稻叶绿体后,石墨烯累积量的65.7%都分布在类囊体上,类囊体上的石墨烯不仅能够促进光合系统(PSII)的电子传递过程,加快植物的光合磷酸化作用;还能够捕获光照条件下产生的过量活性氧物种,保护PSII的光合作用活性。在两种机制的协同作用下,石墨烯能够显著促进水稻叶绿体的光合作用。该研究成果(Uptake of Graphene Enhanced the Photophosphorylation Performed by Chloroplasts in Rice Plants)被作为封面发表在科技部领军期刊Nano Research,环境学院卢坤为第一作者,毛亮为通讯作者。国家纳米科学中心、南京大学生命科学学院、马萨诸塞大学及同济大学等多家单位学者作为共同作者,参与了论文的指导。

石墨烯生物安全性的相关研究获得了国家高层次人才特殊支持计划、国家自然科学基金(21677074)和中央高校业务费(021114380082)等项目的资助