纳米材料与免疫系统的相互作用

汪雪峰，董利阳，王钧，胡曙东，倪鸿昌（江苏大学附属人民医院中心实验室，江苏 镇江 212002）

纳米材料与免疫系统的相互作用

汪雪峰，董利阳，王钧，胡曙东，倪鸿昌
（江苏大学附属人民医院中心实验室，江苏 镇江 212002）

纳米粒子；生物应答；免疫系统；相互作用

纳米粒子的免疫调节效应为纳米材料研究的热点问题之一，包括纳米粒子对免疫应答的激发或抑制功能，但纳米粒子与免疫系统各组分的相互作用及其机制仍未完全阐明。本文主要综述了纳米材料与免疫系统的相互作用及其对免疫应答类型的影响。

1 纳米粒子对固有免疫反应的影响

1.1 纳米粒子吸附血清蛋白影响免疫反应

研究表明，纳米粒子可结合血清蛋白发挥生物学作用。多数血清蛋白可结合碳黑（carbon black，CB）、二氧化钛（titanium dioxide，TiO2）或丙烯酰胺纳米粒子。纳米粒子吸附血清蛋白，通过活化或灭活受体依赖的信号发挥生物学效应［1］。在血液中，纳米粒子表面可吸附免疫球蛋白（immunoglobulins，Ig）和补体成分，参与固有和（或）适应性免疫应答［2］。Salvador-Morales等［3］报道，纯化的单壁碳纳米管（single-wall carbon nanotubes，SWCNTs）和双壁碳纳米管 （double-wall carbon nanotubes，DWCNTs）可通过经典和替代途径活化补体。纳米管若选择性地结合C1q，可活化补体的经典途径；而结合 C3b则可活化补体的替代途径。活化的补体成分可参与靶抗原的溶解、调理吞噬、抗体依赖的细胞介导的细胞毒性作用（antibody-dependent cell-mediated cytotoxicity，ADCC）等免疫效应；也可以介导免疫损伤，参与免疫炎症性疾病的进程。

1.2 纳米粒子影响巨噬细胞（macrophages，Mφs）的免疫功能

人的Mφs系U937细胞经12-肉豆蔻酸-13-乙酸佛波酯（phorbol 12-myristate 13-acetate，PMA）刺激后，再经TiO2（70 nm）、SiO2（15 nm）、氧化锆（Zirconia，ZrO2）和钴（Co）纳米粒子刺激，可影响 Toll样受体（Toll-like receptors，TLR）的表达。U937细胞在TiO2、SiO2刺激下，抑制 TLR9的表达；但在ZrO2刺激下，可增加TLR7和TLR3的表达，纳米粒子可通过影响 TLRs的表达，从而影响 Mφs的免疫功能［4］。Wan等［5］用 20 nm Co和 TiO2刺激单核巨噬细胞，观察基质金属蛋白酶2（matrix metalloproteinase 2，MMP-2）和 MMP-9的表达，结果发现，仅 20 nm的 Co引起 MMPs的表达和活性增加，活化蛋白-1（activator protein-1，AP-1）和蛋白酪氨酸激酶（protein tyrosine kinases，PTK）信号参与诱导 MMPs的表达。Ma等［6］用 20 nm氧化铈（cerium oxide，CeO2）单次滴注（最大剂量7 mg/kg）大鼠，观察肺部炎症和肺泡Mφs功能变化。结果发现，体外经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）水平减少，IL-12的水平增加；CeO2滴注 28 d后，肺泡 Mφs精氨酸酶-1（arginase-1）mRNA的表达增加，表明肺泡 Mφs从致炎的M1型向致纤维化的M2型转化。Liu等［7］发现，5 nm TiO2灌注大鼠，可抑制大鼠肺泡 Mφs的吞噬作用及趋化功能，Mφs表面的Fc及MHCⅡ分子的表达也减少。而且，TiO2抑制Mφs的功能与纳米粒子的大小密切相关，纳米粒子越小，抑制作用越强。

纳米粒子还可以抑制 Mφs对病原体的吞噬功能。Braydich-Stolle等［8］用铝和氧化铝 （aluminum oxide，Al2O3）刺激U937，观察其对呼吸道病原体金黄色葡萄球菌的吞噬作用。结果发现，25 μg/mL的铝纳米粒子削弱了 U937细胞对金黄色葡萄球菌的吞噬功能，而且抑制 U937细胞 NF-κB的活化及 IL-6、IL-1β、TNF-α、IL-8等多种致炎性细胞因子的产生，即纳米粒子削弱了 Mφs对金黄色葡萄球菌的吞噬作用及炎症反应。Shvedova等［9］也发现，直径3～5 nm、长1～3 μm的SWCNTs，以40 μg的剂量滴注C57BL/6小鼠，可抑制小鼠肺部 Mφs对单核李斯特氏菌的吞噬作用，减少一氧化氮的产生；与PBS滴注组相比，SWCNTs滴注小鼠肺部Mφs对单核李斯特氏菌的清除能力降低，感染后期多种急性期细胞因子、趋化因子表达上调，表明SWCNTs滴注增强小鼠急性炎症反应和肺损伤，延迟细菌清除，增加了细菌肺部感染的敏感性。体外实验证明，人单核细胞来源的Mφs在0.1 mg/mL的SWCNTs刺激下，对凋亡细胞的吞噬能力降低，对MCP-1的趋化作用受到抑制，说明 SWCNTs通过抑制 Mφs的功能影响免疫 反 应［10］。

1.3 纳米粒子影响树突状细胞（dendritic cells，DCs）的免疫功能

研究表明，聚苯乙烯纳米粒子的大小与 DCs的相互作用关系密切。20 nm与500 nm的纳米粒子注射C57BL/c小鼠后，500 nm的纳米粒子经淋巴结中CD8α+、CD8α-DC及类浆细胞DCs（plasmacytoid DCs，pDCs）转运，相反，20 nm纳米粒子可自由运输，清除了DCs的小鼠中未见到 500 nm纳米粒子的转运。Kunzmann等［11］发现，硅包被的氧化铁纳米粒子诱导剂量依赖的 DCs细胞毒性，但同样大小的葡聚糖包被的氧化铁纳米粒子对 DCs无细胞毒性；硅和葡聚糖包被的氧化铁纳米粒子均可以刺激DCs产生致炎性细胞因子。Winter等［12］报道，14 nm Si和TiO2均可以活化小鼠骨髓来源的DCs，促进CD11c和 MHCⅡ的表达，活化炎症复合体，即14 nm Si和TiO2通过影响 DCs细胞的功能影响免疫反应。

2 纳米粒子对适应性免疫反应的影响

关于纳米材料对适应性免疫反应的影响的研究较少。Gustafsson等［13］报道，单剂量（5 mg/kg）的TiO2纳米粒子吸入后，Dark Agouti大鼠气道中介导免疫反应的是CD4+T细胞，早期的炎症因子是T细胞分泌的IL-1α、IL-1β、IL-6、细胞因子诱导的中性粒细胞趋化因子1（CNIC-1）和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子 （GM-CSF）。Schanen等［14］用1.56 μmol/L的TiO2纳米粒子处理人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVECs）和人外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cells，PBMCs）24 h，导致 HUVECs和 PBMCs产生IL-6、IL-8、TNF-α、IL-1α、IL-1β、INF-γ等炎性细胞因子；而且，纳米粒子可刺激 DCs成熟，表达CD86、CD83、CCR7分子，促进Naïve CD4+T细胞的活化与增殖。同样，Ghoneum等［15］发现，体外50～200 μg/ mL的纳米钻石或纳米铂（DPV576）刺激人单核细胞来源的DCs 24 h，可活化DCs，诱导DCs表达CD86、CD83，产生 IL-6、TNF和 IL-10，随后活化Naïve CD4+T细胞并刺激其增殖。因而这些纳米粒子可通过刺激 DCs成熟、增强 CD4+T细胞的增殖，从而增强机体的免疫反应。Ogunwale等［16］发现，4 nm的钴铬（Co-chromium，CoCr）纳米粒子对 DCs、T细胞、B细胞产生的效应不同，25 μg/mL的 CoCr纳米粒子不能活化 DCs和 B细胞，但能抑制 T细胞的增殖反应。

与单独的 DNA疫苗相比，DNA吸附阳离子聚苯乙烯（poly-L-lysine-coated）的纳米粒子皮内免疫小鼠，可增强抗体的产生，增强 CD4+、CD8+T细胞的增殖反应［17］。而且，纳米粒子的大小也影响适应性免疫反应的类型。40～49 nm纳米粒子包被的OVA抗原单次免疫小鼠，可诱导小鼠 CD8+T细胞产生 IFN-γ；而93～123 nm纳米粒子包被OVA单次免疫小鼠，可诱导小鼠CD4+T细胞的活化，产生IL-4。49 nm纳米粒子结合呼吸道合胞病毒（respiratory syncytial virus，RSV）抗原 G88免疫小鼠，与单纯G88免疫组相比，能诱导更高水平的 IFN-γ，显著减少经RSV滴鼻攻击感染后的病毒滴度。因而，选择不同大小的纳米粒子作为抗原载体免疫小鼠，可影响小鼠适应性免疫反应的类型［18］。

3 纳米粒子的免疫调节机制

固有免疫和适应性免疫间存在精细的平衡。纳米粒子可通过调节固有和适应性免疫细胞的功能来调节免疫反应，但其具体的作用机制仍不清楚。近年来的研究发现纳米材料影响 Th1/Th2细胞的平衡。10-5～10-7mol/L的钴 纳米 粒子刺 激后，人PMBCs可产生大量的 TNF-α、IFN-γ等 Th1相关细胞因子，但 IL-10等 Th2相关细胞因子减少［19］。Liu等［20］报道，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相关细胞因子的产生增加，IL-4、IL-5等 Th2相关细胞因子的产生减少，CD4+/CD8+T细胞的比例增高，小鼠免疫反应明显增强。

纳米粒子的另一个重要调节机制是诱导或改变DCs的分化和成熟，因而，纳米材料可作为疫苗佐剂增加疫苗的免疫反应。Wang等［21］报道，乙型肝炎病毒的 DNA疫苗用SiO2、层状双金属氢氧化物纳米颗粒负载，可刺激 DCs成熟。体内免疫 BALB/c小鼠，纳米粒子负载的 DNA疫苗诱导比单独 DNA疫苗诱导有更强的血清抗体反应，能促进T细胞增殖，使T细胞向Th1方向极化，说明纳米粒子可作为一种有效的非病毒基因传递系统，增强疫苗的免疫反应。携带 DNA疫苗的聚丙烯酸酯纳米颗粒，体外转染小鼠 DC 2.4细胞系，可促进 DCs的分化成熟，转染了该DNA纳米颗粒的DCs可刺激活化Naïve CD8+T细胞产生高水平的 IFN-γ，表明聚丙烯酸酯纳米颗粒可作为高效的DNA疫苗佐剂，增强疫苗的免 疫 反 应［22］。

4 结论

纳米粒子可通过调节固有和适应性免疫细胞来调节免疫反应，但其具体的作用机制仍不清楚。在固有免疫反应中，纳米粒子被吞噬细胞吞噬后诱导或抑制致炎性细胞因子的产生，影响固有免疫细胞对抗病原体的能力；在适应性免疫反应中，尤其需要研究纳米粒子在 T细胞（Th1、Th2、Th17、Treg）平衡中的作用。研究纳米粒子对免疫系统的影响，尤其是低浓度、低毒性纳米粒子对免疫细胞及生物个体的免疫反应，可为制备安全、有效的纳米材料用于临床应用提供启示和策略。

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1671-7783（2015）01-0085-03

10.13312/j.issn.1671-7783.y140127

国家自然科学基金资助项目（30801046）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20141295）；江苏省“333工程”资助项目

（BRA2014172）；江苏省政府留学奖学金资助项目（2011年）；镇江市重点医学人才资助项目（2012年）

2014-05-14 ［编辑］何承志