随着纳米生物技术的发展，氧化铁磁性纳米颗粒(MNP)在生物医学领域内具有了广泛的应用，如，核磁共振成像造影剂、肿瘤磁热疗、靶向药物载体、生物分子的标记、分离与纯化等。为了评价MNP在生物体系应用中的安全性并进一步发展其在生物医学中的应用，目前已有大量的研究表征了不同理化性质的MNP具有的生物效应。然而，大部分研究使用一种细胞系进行观察研究，缺少来自不同物种或不同组织的细胞间系统的比较，也未就细胞生理表型变化在分子水平上的发生机理进行深入研究。因此，使用多种细胞系和不同浓度及处理时间系统研究MNP作用细胞后引发的细胞效应及其发生机理仍是纳米生物技术研究领域的重要课题。　　本研究采用多浓度(20～100μg/mL)、多时间点(2～72h)和多种细胞系，包括小鼠巨噬细胞（RAW264.7）、小鼠肝癌细胞(Hepa1-6)、人单核细胞(THP-1)、人肝癌细胞（HepG2）、人正常肝脏细胞(HL-7702)及人宫颈癌细胞(HeLa)，检测了热解油酸-铁制备的二巯基丁二酸(DMSA)包被的Fe3O4 MNP的细胞效应，并运用基因芯片技术检测这种MNP对细胞基因表达谱的影响，从分子水平上分析细胞效应的分子机制。本论文取得的主要结果如下:　　1.通过普鲁士蓝染色、溶酶体染色、透射电镜(TEM)观察及比色法铁含量测定，研究了合成的DMSA-Fe3O4 MNP标记细胞的效率。TEM及溶酶体染色观察显示DMSA-Fe3O4 MNP经内吞进入细胞，主要分布于细胞溶酶体内。普鲁士蓝染色和铁含量定量分析表明，所研究的6种哺乳动物细胞均能摄取这种DMSA-Fe3O4 MNP，但摄取效率在细胞系间存在差异。RAW264.7细胞摄取效率最高，而HepG2和HL-7702细胞吞噬能力较弱。此外，细胞对DMSA-Fe3O4 MNP的摄取具有时间和浓度双重依赖性。低浓度长时间作用导致细胞内的铁含量高于高浓度短时间作用，提示在研究DMSA-Fe3O4 MNP的细胞效应时要考虑其长时期作用效果。　　2.氧化铁纳米颗粒进入细胞后，不可避免地与细胞内组分发生相互作用，从而对细胞的某些功能造成损伤。为了评价DMSA-Fe3O4 MNP的生物相容性，本研究系统地检测了其对6种哺乳动物细胞系多种生理功能的影响。显微观察显示DMSA-Fe3O4 MNP处理细胞后，细胞形貌、细胞骨架及膜系统并未受到严重破坏。在所研究的浓度范围(20～100μg/mL)和作用时间段(2～72h)，细胞活力随DMSA-Fe3O4 MNP的浓度升高而呈现轻微地下降，但仅有RAW264.7和HepG2细胞在高浓度长时间处理下具有显著性差异。氧化应激测定表明，细胞内总超氧化物歧化酶和黄嘌呤氧化酶水平并没有显著的变化，但丙二醛水平在多个浓度下显著增高。各浓度的DMSA-Fe3O4 MNP对细胞周期未产生显著影响。高浓度(100μg/mL)的DMSA-Fe3O4 MNP显著地诱导THP-1和HepG2细胞发生凋亡。结果显示，DMSA-Fe3O4 MNP具有较好的生物相容性，尤其在体内常用剂量（30μg/mL）下对细胞多种生理功能并不产生显著影响。　　3.由于细胞的所有生理表型都基于特定基因的时空特异表达。因此，纳米颗粒作用于细胞后引发细胞效应（如活力下降、氧化应激水平升高及诱导凋亡等），也必然受相应基因调控。为了从基因水平上研究DMSA-Fe3O4 MNP对细胞的潜在影响，本研究使用Affymetrix公司的Mouse Genome 4302.0基因组表达谱芯片检测了100μg/mL DMSA-Fe3O4 MNP对RAW264.7细胞基因表达谱的影响。在DMSA-Fe3O4MNP处理4、24和48h后，分别检测到711、545和434个差异表达基因(differentially expressed gene，DEG)。这些DEG中，有27个基因在三个时间点持续上调，另有6个基因持续下调。所有DEG的生物信息学分析表明多个与炎症、免疫反应及病毒刺激相关的基因显著上调;参与氧化应激及脂质过氧化保护性应答基因发生下调;同时，与细胞周期、繁殖、生物大分子合成及能量代谢相关基因显著下调。结果提示，DMSA-Fe3O4MNP可诱导细胞发生氧化应激、炎症和免疫反应，并抑制细胞的生物合成和代谢过程，这与细胞水平的实验结果一致。　　4.为了进一步分析DMSA-Fe3O4 MNP对不同细胞系基因表达谱的影响，本研究比较了小鼠巨噬细胞和肝癌细胞在DMSA-Fe3O4 MNP处理前后的基因表达谱的变化。基因芯片检测出数千个基因表达发生变化，绝大多数DEG在DMSA-Fe3O4 MNP浓度和细胞系间有不同的表达模式。只有15个DEG在四种处理下表达持续改变，如，Id3、Slc25a23、Tfrc、Klf4、Fxyd2、Lcn2、Illrn、Slpi及Serpinb9b等基因。这些基因反映了不同哺乳动物细胞对DMSA-Fe3O4MNP处理作出的共同应答。基因本体论(Gene Ontology,GO)聚类分析表明，在RAW264.7细胞中，DEG主要参与内吞作用、免疫反应和铁离子的跨膜转运。而在Hepa1-6细胞中DEG涉及细胞发育、催化活性和信号转导的调节。随着细胞内铁含量的升高，DMSA-Fe3O4 MNP对Hepa1-6细胞造成与RAW264.7细胞相似的炎症、免疫应答和趋化反应等效应。执行这些功能的DEG在两种细胞间不尽相同。两种细胞间的DEG的差别表明DMSA-Fe3O4 MNP对不同细胞系具有不同的基因效应，取决于细胞系所具有的生物学功能。　　5.基因芯片检测结果发现，铁离子转运GO条目得到显著富集，提示细胞内吞的DMSA-Fe3O4 MNP，可能通过释放铁离子影响细胞内铁稳态。荧光定量PCR结果证实3个与铁稳态相关的关键性基因，Tfrc、Trf和Lcn2表达发生变化，并在铁离子螯合剂去铁胺作用下Tfrc和Lcn2基因表达变化受到抑制。本研究设计了一种基于高速离心方法测定细胞内铁离子含量和氧化铁纳米颗粒含量的方法。结果表明细胞内总的铁含量、氧化铁纳米颗粒含量及铁离子含量均显著增加。在体外模拟溶酶体酸性环境中，DMSA-Fe3O4 MNP发生降解，并导致溶液中铁离子含量升高。这些结果证实细胞内铁离子含量的升高是由聚集在溶酶体内的DMSA-Fe3O4 MNP发生降解而造成的。细胞铁离子过载导致多个负责可溶性物质载体家族成员的表达下调，如Slc5a3和Slc44a1，以阻止更多的有机溶质进入细胞，从而降低细胞内被铁离子升高的渗透压。这些结果解释了DMSA-Fe3O4 MNP引发细胞内铁稳态及渗透压稳态发生变化的分子机制。　　6.为了进一步探讨DMSA-Fe3O4 MNP在活体内的动态分布及主要脏器分布，为下一步的体内基因表达谱的研究提供组织和细胞选取的依据，本研究利用近红外荧光素(IRDye800CW，ex/em=775/788nm)及活体成像技术研究了这种纳米颗粒在机体内的动态代谢过程及主要脏器分布。IRDye800CW标记的Fe3O4MNP对RAW264.7细胞具有很好的标记效率并对细胞活力没有显著影响，这样与未标记的Fe3O4 MNP相当。将这种带近红外荧光素标记的Fe3O4 MNP以2和5mg/kg体重的剂量经尾静脉注射到小鼠体内，使用近红外荧光成像仪对小鼠进行24h不连续成像。结果发现标记后的Fe3O4 MNP在注射后逐渐累积于肝脏和肾脏区域，并在注射后6h达到高峰。随后，它们在这些组织区域内逐渐消失。结果显示，以IRDye800CW-Fe3O4 MNP进行活体成像，能有效地报告纳米颗粒在体内的分布和清除的动态过程。