汪雪峰，董利陽，王鈞，胡曙東，倪鴻昌（江蘇大學附屬人民醫(yī)院中心實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

納米材料與免疫系統(tǒng)的相互作用

汪雪峰，董利陽，王鈞，胡曙東，倪鴻昌
（江蘇大學附屬人民醫(yī)院中心實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212002）

納米粒子；生物應答；免疫系統(tǒng)；相互作用

納米粒子的免疫調(diào)節(jié)效應為納米材料研究的熱點問題之一，包括納米粒子對免疫應答的激發(fā)或抑制功能，但納米粒子與免疫系統(tǒng)各組分的相互作用及其機制仍未完全闡明。本文主要綜述了納米材料與免疫系統(tǒng)的相互作用及其對免疫應答類型的影響。

1 納米粒子對固有免疫反應的影響

1.1 納米粒子吸附血清蛋白影響免疫反應

研究表明，納米粒子可結(jié)合血清蛋白發(fā)揮生物學作用。多數(shù)血清蛋白可結(jié)合碳黑（carbon black，CB）、二氧化鈦（titanium dioxide，TiO2）或丙烯酰胺納米粒子。納米粒子吸附血清蛋白，通過活化或滅活受體依賴的信號發(fā)揮生物學效應［1］。在血液中，納米粒子表面可吸附免疫球蛋白（immunoglobulins，Ig）和補體成分，參與固有和（或）適應性免疫應答［2］。Salvador-Morales等［3］報道，純化的單壁碳納米管（single-wall carbon nanotubes，SWCNTs）和雙壁碳納米管 （double-wall carbon nanotubes，DWCNTs）可通過經(jīng)典和替代途徑活化補體。納米管若選擇性地結(jié)合C1q，可活化補體的經(jīng)典途徑；而結(jié)合 C3b則可活化補體的替代途徑?；罨难a體成分可參與靶抗原的溶解、調(diào)理吞噬、抗體依賴的細胞介導的細胞毒性作用（antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC）等免疫效應；也可以介導免疫損傷，參與免疫炎癥性疾病的進程。

1.2 納米粒子影響巨噬細胞（macrophages，Mφs）的免疫功能

人的Mφs系U937細胞經(jīng)12-肉豆蔻酸-13-乙酸佛波酯（phorbol 12-myristate 13-acetate，PMA）刺激后，再經(jīng)TiO2（70 nm）、SiO2（15 nm）、氧化鋯（Zirconia，ZrO2）和鈷（Co）納米粒子刺激，可影響 Toll樣受體（Toll-like receptors，TLR）的表達。U937細胞在TiO2、SiO2刺激下，抑制 TLR9的表達；但在ZrO2刺激下，可增加TLR7和TLR3的表達，納米粒子可通過影響 TLRs的表達，從而影響 Mφs的免疫功能［4］。Wan等［5］用 20 nm Co和 TiO2刺激單核巨噬細胞，觀察基質(zhì)金屬蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2，MMP-2）和 MMP-9的表達，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅 20 nm的 Co引起 MMPs的表達和活性增加，活化蛋白-1（activator protein-1，AP-1）和蛋白酪氨酸激酶（protein tyrosine kinases，PTK）信號參與誘導 MMPs的表達。Ma等［6］用 20 nm氧化鈰（cerium oxide，CeO2）單次滴注（最大劑量7 mg/kg）大鼠，觀察肺部炎癥和肺泡Mφs功能變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，體外經(jīng)LPS刺激1 d后，CeO2滴注的大鼠肺泡Mφs分泌的一氧化氮（nitric oxide，NO）水平減少，IL-12的水平增加；CeO2滴注 28 d后，肺泡 Mφs精氨酸酶-1（arginase-1）mRNA的表達增加，表明肺泡 Mφs從致炎的M1型向致纖維化的M2型轉(zhuǎn)化。Liu等［7］發(fā)現(xiàn)，5 nm TiO2灌注大鼠，可抑制大鼠肺泡 Mφs的吞噬作用及趨化功能，Mφs表面的Fc及MHCⅡ分子的表達也減少。而且，TiO2抑制Mφs的功能與納米粒子的大小密切相關，納米粒子越小，抑制作用越強。

納米粒子還可以抑制 Mφs對病原體的吞噬功能。Braydich-Stolle等［8］用鋁和氧化鋁 （aluminum oxide，Al2O3）刺激U937，觀察其對呼吸道病原體金黃色葡萄球菌的吞噬作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，25 μg/mL的鋁納米粒子削弱了 U937細胞對金黃色葡萄球菌的吞噬功能，而且抑制 U937細胞 NF-κB的活化及 IL-6、IL-1β、TNF-α、IL-8等多種致炎性細胞因子的產(chǎn)生，即納米粒子削弱了 Mφs對金黃色葡萄球菌的吞噬作用及炎癥反應。Shvedova等［9］也發(fā)現(xiàn)，直徑3～5 nm、長1～3 μm的SWCNTs，以40 μg的劑量滴注C57BL/6小鼠，可抑制小鼠肺部 Mφs對單核李斯特氏菌的吞噬作用，減少一氧化氮的產(chǎn)生；與PBS滴注組相比，SWCNTs滴注小鼠肺部Mφs對單核李斯特氏菌的清除能力降低，感染后期多種急性期細胞因子、趨化因子表達上調(diào)，表明SWCNTs滴注增強小鼠急性炎癥反應和肺損傷，延遲細菌清除，增加了細菌肺部感染的敏感性。體外實驗證明，人單核細胞來源的Mφs在0.1 mg/mL的SWCNTs刺激下，對凋亡細胞的吞噬能力降低，對MCP-1的趨化作用受到抑制，說明 SWCNTs通過抑制 Mφs的功能影響免疫 反 應［10］。

1.3 納米粒子影響樹突狀細胞（dendritic cells，DCs）的免疫功能

研究表明，聚苯乙烯納米粒子的大小與 DCs的相互作用關系密切。20 nm與500 nm的納米粒子注射C57BL/c小鼠后，500 nm的納米粒子經(jīng)淋巴結(jié)中CD8α+、CD8α-DC及類漿細胞DCs（plasmacytoid DCs，pDCs）轉(zhuǎn)運，相反，20 nm納米粒子可自由運輸，清除了DCs的小鼠中未見到 500 nm納米粒子的轉(zhuǎn)運。Kunzmann等［11］發(fā)現(xiàn)，硅包被的氧化鐵納米粒子誘導劑量依賴的 DCs細胞毒性，但同樣大小的葡聚糖包被的氧化鐵納米粒子對 DCs無細胞毒性；硅和葡聚糖包被的氧化鐵納米粒子均可以刺激DCs產(chǎn)生致炎性細胞因子。Winter等［12］報道，14 nm Si和TiO2均可以活化小鼠骨髓來源的DCs，促進CD11c和 MHCⅡ的表達，活化炎癥復合體，即14 nm Si和TiO2通過影響 DCs細胞的功能影響免疫反應。

2 納米粒子對適應性免疫反應的影響

關于納米材料對適應性免疫反應的影響的研究較少。Gustafsson等［13］報道，單劑量（5 mg/kg）的TiO2納米粒子吸入后，Dark Agouti大鼠氣道中介導免疫反應的是CD4+T細胞，早期的炎癥因子是T細胞分泌的IL-1α、IL-1β、IL-6、細胞因子誘導的中性粒細胞趨化因子1（CNIC-1）和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子 （GM-CSF）。Schanen等［14］用1.56 μmol/L的TiO2納米粒子處理人臍靜脈內(nèi)皮細胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVECs）和人外周血單個核細胞（peripheral blood mononuclear cells，PBMCs）24 h，導致 HUVECs和 PBMCs產(chǎn)生IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1α、IL-1β、INF-γ等炎性細胞因子；而且，納米粒子可刺激 DCs成熟，表達CD86、CD83、CCR7分子，促進Na?ve CD4+T細胞的活化與增殖。同樣，Ghoneum等［15］發(fā)現(xiàn)，體外50～200 μg/ mL的納米鉆石或納米鉑（DPV576）刺激人單核細胞來源的DCs 24 h，可活化DCs，誘導DCs表達CD86、CD83，產(chǎn)生 IL-6、TNF和 IL-10，隨后活化Na?ve CD4+T細胞并刺激其增殖。因而這些納米粒子可通過刺激 DCs成熟、增強 CD4+T細胞的增殖，從而增強機體的免疫反應。Ogunwale等［16］發(fā)現(xiàn)，4 nm的鈷鉻（Co-chromium，CoCr）納米粒子對 DCs、T細胞、B細胞產(chǎn)生的效應不同，25 μg/mL的 CoCr納米粒子不能活化 DCs和 B細胞，但能抑制 T細胞的增殖反應。

與單獨的 DNA疫苗相比，DNA吸附陽離子聚苯乙烯（poly-L-lysine-coated）的納米粒子皮內(nèi)免疫小鼠，可增強抗體的產(chǎn)生，增強 CD4+、CD8+T細胞的增殖反應［17］。而且，納米粒子的大小也影響適應性免疫反應的類型。40～49 nm納米粒子包被的OVA抗原單次免疫小鼠，可誘導小鼠 CD8+T細胞產(chǎn)生 IFN-γ；而93～123 nm納米粒子包被OVA單次免疫小鼠，可誘導小鼠CD4+T細胞的活化，產(chǎn)生IL-4。49 nm納米粒子結(jié)合呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus，RSV）抗原 G88免疫小鼠，與單純G88免疫組相比，能誘導更高水平的 IFN-γ，顯著減少經(jīng)RSV滴鼻攻擊感染后的病毒滴度。因而，選擇不同大小的納米粒子作為抗原載體免疫小鼠，可影響小鼠適應性免疫反應的類型［18］。

3 納米粒子的免疫調(diào)節(jié)機制

固有免疫和適應性免疫間存在精細的平衡。納米粒子可通過調(diào)節(jié)固有和適應性免疫細胞的功能來調(diào)節(jié)免疫反應，但其具體的作用機制仍不清楚。近年來的研究發(fā)現(xiàn)納米材料影響 Th1/Th2細胞的平衡。10-5～10-7mol/L的鈷 納米 粒子刺 激后，人PMBCs可產(chǎn)生大量的 TNF-α、IFN-γ等 Th1相關細胞因子，但 IL-10等 Th2相關細胞因子減少［19］。Liu等［20］報道，0.5 μmol/kg的水溶性富勒烯C60注射小鼠后，血清中 IL-2、IFN-γ、TNF-α等 Th1相關細胞因子的產(chǎn)生增加，IL-4、IL-5等 Th2相關細胞因子的產(chǎn)生減少，CD4+/CD8+T細胞的比例增高，小鼠免疫反應明顯增強。

納米粒子的另一個重要調(diào)節(jié)機制是誘導或改變DCs的分化和成熟，因而，納米材料可作為疫苗佐劑增加疫苗的免疫反應。Wang等［21］報道，乙型肝炎病毒的 DNA疫苗用SiO2、層狀雙金屬氫氧化物納米顆粒負載，可刺激 DCs成熟。體內(nèi)免疫 BALB/c小鼠，納米粒子負載的 DNA疫苗誘導比單獨 DNA疫苗誘導有更強的血清抗體反應，能促進T細胞增殖，使T細胞向Th1方向極化，說明納米粒子可作為一種有效的非病毒基因傳遞系統(tǒng)，增強疫苗的免疫反應。攜帶 DNA疫苗的聚丙烯酸酯納米顆粒，體外轉(zhuǎn)染小鼠 DC 2.4細胞系，可促進 DCs的分化成熟，轉(zhuǎn)染了該DNA納米顆粒的DCs可刺激活化Na?ve CD8+T細胞產(chǎn)生高水平的 IFN-γ，表明聚丙烯酸酯納米顆?？勺鳛楦咝У腄NA疫苗佐劑，增強疫苗的免 疫 反 應［22］。

4 結(jié)論

納米粒子可通過調(diào)節(jié)固有和適應性免疫細胞來調(diào)節(jié)免疫反應，但其具體的作用機制仍不清楚。在固有免疫反應中，納米粒子被吞噬細胞吞噬后誘導或抑制致炎性細胞因子的產(chǎn)生，影響固有免疫細胞對抗病原體的能力；在適應性免疫反應中，尤其需要研究納米粒子在 T細胞（Th1、Th2、Th17、Treg）平衡中的作用。研究納米粒子對免疫系統(tǒng)的影響，尤其是低濃度、低毒性納米粒子對免疫細胞及生物個體的免疫反應，可為制備安全、有效的納米材料用于臨床應用提供啟示和策略。

［1］Marano F，Hussain S，Rodrigues-Lima F，et al.Nanoparticles:molecular targets and cell signaling［J］.Arch Toxicol，2011，85（7）:733-741.

［2］Lundqvist M，Stigler J，Elia G，et al.Nanoparticle size and surface properties determine the protein corona with possible implications for biological impacts［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2008，105（38）:14265-14270.

［3］Salvador-Morales C，F(xiàn)lahaut E，Sim E，et al.Complement activation and protein adsorption by carbon nanotubes［J］.Mol Immunol，2006，43（3）:193-201.

［4］Lucarelli M，Gatti AM，Savarino G，et al.Innate defense functions of macrophages can be biased by nano-sized ceramic and metallic particles［J］.Eur Cytokine Netw，2004，15（4）:339-346.

［5］Wan R，Mo Y，Zhang X，et al.Matrix metalloproteinase-2 and-9 are induced differently by metal nanoparticles in human monocytes:The role of oxidative stress and protein tyrosine kinase activation［J］.Toxicol Appl Pharmacol，2008，233（2）:276-285.

［6］Ma JY，Zhao H，Mercer RR，et al.Cerium oxide nanop

article-induced pulmonary inflammation and alveolar macrophage functional change in rats［J］.Nanotoxicology，2011，5（3）:312-325.

［7］Liu R，Zhang X，Pu Y，et al.Small-sized titanium dioxide nanoparticles mediate immune toxicity in rat pulmonary alveolar macrophages in vivo［J］.J Nanosci Nanotechnol，2010，10（8）:5161-5169.

［8］Braydich-Stolle LK，Speshock JL，Castle A，et al.Nanosized aluminum altered immune function［J］.ACS Nano，2010，4（7）:3661-3670.

［9］Shvedova AA，F(xiàn)abisiak JP，Kisin ER，et al.Sequential exposure to carbon nanotubes and bacteria enhances pulmonary inflammation and infectivity［J］.Am J Respir Cell Mol Biol，2008，38（5）:579-590.

［10］Witasp E，Shvedova AA，Kagan VE，et al.Single-walled carbon nanotubes impair human macrophage engulfment of apoptotic cell corpses［J］.Inhal Toxicol，2009，21 （suppl 1）:131-136.

［11］Kunzmann A，Andersson B，Vogt C，et al.Efficient internalization of silica-coated iron oxide nanoparticles of different sizes by primary human macrophages and dendritic cells［J］.Toxicol Appl Pharmacol，2011，253（2）:81 -93.

［12］Winter M，Beer HD，Hornung V，et al.Activation of the inflammasome by amorphous silica and TiO2nanoparticles in murine dendritic cells［J］.Nanotoxicology，2011，5（3）:326-340.

［13］Gustafsson A，Lindstedt E，Elfsmark LS，et al.Lung exposure of titanium dioxide nanoparticles induces innate immune activation and long-lasting lymphocyte response in the Dark Agouti rat［J］.J Immunotoxicol，2011，8 （2）:111-121.

［14］Schanen BC，Karakoti AS，Seal S，et al.Exposure to titanium dioxide nanomaterials provokes inflammation of an in vitro human immune construct［J］.ACS Nano，2009，3（9）:2523-2532.

［15］Ghoneum M，Ghoneum A，Gimzewski J.Nanodiamond and nanoplatinum liquid，DPV576，activates human monocyte-derived dendritic cells in vitro［J］.Anticancer Res，2010，30（10）:4075-4079.

［16］Ogunwale B，Schmidt-ott A，Meek RM，et al.Investigating the immunologic effects of CoCr nanoparticles［J］. Clin Orthop Relat Res，2009，467（11）:3010-3016.

［17］Minigo G，Scholzen A，Tang CK，et al.Poly-L-lysinecoated nanoparticles:a potent delivery system to enhance DNA vaccine efficacy［J］.Vaccine，2007，25 （7）:1316-1327.

［18］Mottram PL，Leong D，Crimeen-Irwin B，et al.Type 1and 2 immunity following vaccination is influenced by nanoparticle size:formulation of a model vaccine for respiratory syncytial virus［J］.Mol Pharm，2007，4（1）: 73-84.

［19］Petrarca C，Perrone A，Verna N，et al.Cobalt nano-parti

cles modulate cytokine in vitro release by human mononuclear cells mimicking autoimmune disease［J］.Int J

Immunopathol Pharmacol，2006，19（suppl 4）:11-14. ［20］Liu Y，Jiao F，Qiu Y，et al.Immunostimulatory properties

and enhanced TNF-α mediated cellular immunity for tumor therapy by C60（OH）20nanoparticles［J］.Nanotechnology，2009，20（41）:415102.

［21］Wang J，Zhu R，Gao B，et al.The enhanced immune response of hepatitis B virus DNA vaccine using SiO2@ LDH nanoparticles as an adjuvant［J］.Biomaterials，2014，35（1）:466-478.

［22］Ji W，Panus D，Palumbo RN，et al.Poly（2-aminoethyl methacrylate）with well-defined chain length for DNA vaccine delivery to dendritic cells［J］.Biomacromolecules，2011，12（12）:4373-4385.

R114

B

1671-7783（2015）01-0085-03

10.13312/j.issn.1671-7783.y140127

國家自然科學基金資助項目（30801046）；江蘇省自然科學基金資助項目（BK20141295）；江蘇省“333工程”資助項目

（BRA2014172）；江蘇省政府留學獎學金資助項目（2011年）；鎮(zhèn)江市重點醫(yī)學人才資助項目（2012年）

2014-05-14 ［編輯］何承志