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碳纳米管，具有巨大的比表面积，很强的吸附性能，小的尺寸以及量子效应，因而在电子技术、生物医学以及环境治理等领域存在着广泛的应用前景。同时，也因为其自身不同于宏观材料的特性而具有特殊的生物学特性，比如容易吸附生物分子且易于穿透细胞膜和各种膜结构，因此在开发其应用和研究的同时需要关注其作为纳米材料本身对于人类和环境的健康效应。高等动物和人类的免疫系统特别是巨噬细胞能够识别并吞噬外源微生物和颗粒物，因此是纳米材料的生物靶向细胞。本论文研究了目前生物医用领域研究广泛的单壁碳纳米管(SWCNTs)对于体外巨噬细胞的毒性效应、产生毒性效应的分子机理以及信号通路，对原代免疫细胞在细胞器水平和细胞生理功能水平的影响，并对酸化单壁碳纳米管(AF-SWCNTs)与环境污染物同时存在时，其对免疫细胞的毒性效应进行了探讨。
首先以小鼠巨噬细胞RAW264.7为免疫细胞模型，研究了SWCNTs的体外免疫细胞毒性及分子机制。用混酸对SWCNTs处理得到AF-SWCNTs，经过电镜、zeta电位等方法表征，发现AF-SWCNTs在水中均匀分散。细胞活性试验表明，50μg/mL AF-SWCNTs对RAW264.7细胞的生长具有抑制效应。利用FITC荧光分子标记AF-SWCNTs，示踪其在细胞内的分布，发现多数碳纳米管进入细胞质，少量进入细胞核。用基因芯片技术，揭示了受到AF-SWCNTs影响的RAW细胞全基因组表达谱的变化，发现表达量发生变化的基因数目和这些基因的表达变化程度都随着AF-SWCNTs的浓度而增加。用QPCR和ELISA方法分别在mRNA和蛋白表达水平上，进一步证实了10μg/mL和50μg/mL AF-SWCNTs改变了与细胞凋亡相关的基因表达并诱发细胞炎症反应。信号通路分析结果表明，AF-SWCNTs影响了细胞的线粒体、蛋白酶体等细胞器以及细胞周期/凋亡等多个信号通路的基因表达。
巨噬细胞的蛋白酶体和线粒体细胞器与细胞的吞噬和抗原呈递等免疫功能密切相关，因此SWCNTs对这些细胞器的损伤有可能引起细胞免疫功能发生变化。以原代小鼠腹腔巨噬细胞(PMQ)和纯化CD4+T淋巴细胞为模型，研究了AF-SWCNTs对PMQ线粒体、蛋白酶体等细胞器以及与之相关的细胞生理功能的影响。1-50μg/mL AF-SWCNTs24小时的暴露对PMQ细胞的存活没有明显的改变，但在细胞器水平和细胞功能水平对其产生毒性效应。细胞切片透射电镜分析表明，小部分束状长的AF-SWCNTs直接穿透细胞膜进入细胞质中，大部分AF-SWCNTs通过内吞作用进入PMQ细胞，进而进入细胞溶酶体内。在细胞器水平，AF-SWCNTs抑制溶酶体的功能，损伤细胞线粒体膜电位(≥1μg/mL)和蛋白酶体的基因表达(≥10μg/mL)。对于PMQ的细胞功能，低浓度(1μg/mL)的AF-SWCNTs会导致PMQ细胞吞噬荧光微球的能力受到明显抑制且呈现明显的剂量一效应关系。通过T淋巴细胞增殖的分析表明，高于10μg/mL AF-SWCNTs的暴露影响了巨噬细胞作为辅助细胞的功能，它们刺激T细胞增殖的能力减弱；AF-SWCNTs暴露的巨噬细胞通过诱导免疫因子IFN-γ和TNF的分泌促使T细胞向Th1细胞类型进行分化。这些结果提示AF-SWCNTs的暴露有潜在诱发Th1相关的免疫疾病(比如自身免疫和炎症)的风险。
纳米材料的大量生产和广泛使用不可避免导致环境介质中纳米材料的增加，纳米材料的高比表面积使其具有大量吸附环境中存在的化学污染物的潜力。因而我们对纳米材料和化学污染物共存时的免疫毒性效应进行了初步探讨。结果发现AF-SWCNTs吸附1，2，4-三氯苯后其细胞毒性无明显改变。在不产生细胞毒性的浓度范围内，AF-SWCNTs的加入降低了1，2，4-三氯苯和PBDE-47单独的细胞毒性，但不会改变Cd2+的细胞毒性作用。造成这种变化的原因可能是由于碳纳米管通过Ⅱ-Ⅱ堆积作用力吸附含有苯环的有机化合物，降低了它们的细胞毒性作用。