「隱身」二維粒子能在「細胞」外隔空喊話？

巨噬細胞存在於血液、淋巴和所有組織類型中，是人體應對病原體感染和外源性物質的第一道防線。巨噬細胞扮演了多種角色，有很多武器。例如它有像八爪魚一樣的觸角，可以四面八方延伸搜索，一旦探測到目標后，便拿出「小吃貨」的精神：巨噬細胞不僅會大量攝取有益的抗原或蛋白，而且也會識別并吞噬即將釋放毒素的凋亡、壞死或者功能喪失的細胞。雖然機體內巨噬細胞的具體角色有所差別，但都具有一種動態平衡，如果這種平衡因異物持續刺激造成慢性損傷而破壞，疾病就會出現。因此，巨噬細胞是材料、藥物遞送、疫苗、組織工程中最常用的效用安全評價細胞，可以反映要輸送的活性物質能否成功靶向，新材料是否會對機體造成損傷。

二維平面材料憑藉獨特的理化性質成為材料家族中光芒四射的新星。例如，石墨烯是由單層碳原子所構成的具有蜂窩狀結構的二維材料，看上去近似一張平面（如圖1所示）。近期，科學院過程工程研究所生化工程國家重點實驗室馬光輝課題組使用巨噬細胞，揭示了這種新型二維材料一系列全新而獨特的生物學效應。

該團隊前期的研究表明，細胞與氧化石墨烯（GO）的相互作用完全不同於傳統球形顆粒（Biomaterials,2012, 33, 4013; Nanoscale, 2015, 7, 19949）。與球型顆粒比較，GO 的曲率很小導致跨越細胞膜時遭遇很大阻力，巨噬細胞需要藉助細胞觸角的拉力以及受體-配體結合的雙重作用才能將這種平面粒子內化。

如果把細胞膜比作水面，球型顆粒比作容易沉進水裡的圓石頭，那麼 GO 就像薄木片一樣，更傾向於飄浮在水面，只有藉助強大的吞噬力，才能跨越表面進入內部。

該團隊最新發表於 Nature Communications（8, 14537）的研究表明，如果將納米級 GO 修飾一層聚乙二醇（PEG），這相當於給 GO 披上一個隱形馬甲，使其更加排斥並遠離細胞，從而無法被內化。但是想逃離細胞也不容易，披上馬甲的二維粒子（PEG-nGO）不斷做激烈的掙扎，增加了細胞膜流動（想象一下木片擾動水面造成的波紋蕩漾），促進巨噬細胞遷移。更為神奇的是，這種處於細胞外面的二維粒子竟然誘導細胞表達大量炎症相關因子（圖2）。

那麼二維粒子如何在細胞外隔空喊話？它與細胞表面作用的信號是怎樣被傳導至胞內的呢？該團隊通過與哥倫比亞大學周如鴻課題組的合作發現，PEG-nGO 在不斷掙扎時會以水平摩擦和嵌插入膜這兩種方式不斷刺激細胞。細胞膜上有成百上千種蛋白可能參與這個過程，但其中有一個最為關鍵的「通訊員」：整合素 αvβ8。正是在這個蛋白的作用下，外界摩擦等力學信號被翻譯並傳導至胞內，首先遞交給主要的接頭分子（黏著斑蛋白 FAK）。接下來，接頭分子通過磷酸化等方式將信號以迅雷不及掩耳之勢層層傳遞下去，直至點燃細胞內基因轉錄的導火索( NF-Kβ 和 Fos 等)，啟動一系列炎症相關因子的表達和釋放，最終活化巨噬細胞（圖3）。

這是非常有意義的發現。以往的研究通常用 PEG 對遞送載體或藥物進行偽裝，避免被巨噬細胞劫持，延長藥物在體內的半衰期，並未發現或者極少跟蹤巨噬細胞的後續應激反應。但該研究提示，針對二維粒子，即使巨噬細胞不吞噬，變化也已經悄然發生。該工作不僅發現了活化巨噬細胞的全新機制，也再次提示二維納米材料特殊的維度可能引發截然不同的納米-生物界面效應，在進行生物醫學應用時需格外關注。

圖1 二維平面石墨烯的模式圖

圖2 nGO-PEG與巨噬細胞作用后的細胞行為變化：（a）巨噬細胞不吞噬nGO-PEG；（b）巨噬細胞分泌大量炎症相關細胞因子；（c）膜流動性加快；（d）細胞遷移速率增加

圖3 nGO-PEG活化巨噬細胞的機制：（a）計算模擬揭示nGO與細胞膜的兩種作用方式;（b）膜相關基因的變化；（c）Integrin β8表達上調；（e）活化通路

作者系科學院過程工程研究所研究人員