1、碳納米管已經在神經組織工程的幾個方面被用于探測和增強細胞的行為，以標記和追蹤的亞細胞組分，并研究神經網絡的發展和組織。最近的報告表明，碳納米管能夠維持和促進培養細胞的神經元網絡的電活動，但它們會影響細胞功能的方法仍然知之甚少。這里，我們表明，用單細胞電生理技術，電子顯微鏡分析和理論模型，認為碳納米管提高神經元的形成有可能有利于近端和神經元的末端隔室之間的電快捷細胞膜緊密接觸的響應。我們提出了“電緊張假說”來解釋細胞與納米管之間的物理相互作用，以及如何碳納米管可能會影響培養的神經元網絡的集體電活動的機制。這些因素提供了一個視角，使我們能夠預測的神經元和碳納米管之間或工程師的相互作用Carbon

2、nanotubes have been applied in several areas of nerve tissue engineering to probe and augment cell behaviour, to label and track subcellular components, and to study the growth and organization of neural networks. Recent reports show that nanotubes can sustain and promote neuronal electrical activit

3、y in networks of cultured cells, but the ways in which they affect cellular function are still poorly understood. Here, we show, using single-cell electrophysiology techniques, electron microscopy analysis and theoretical modelling, that nanotubes improve the responsiveness of neurons by forming tig

4、ht contacts with the cell membranes that might favour electrical shortcuts between the proximal and distal compartments of the neuron. We propose the electrotonic hypothesis to explain the physical interactions between the cell and nanotube, and the mechanisms of how carbon nanotubes might affect th

5、e collective electrical activity of cultured neuronal networks. These considerations offer a perspective that would allow us to predict or engineer interactions between neurons and carbon nanotubes.在這里，我們鑒定了一類新的生物膜離子通道阻斷劑稱為單壁碳納米管（單壁碳納米管）。單壁碳納米管直徑分布最高達到0.9和1.3納米，C60富勒烯，多壁碳納米管（多壁碳納米管），和hyperfullerenes

6、（納米“洋蔥”），合成了幾種技術和適用于異源表達在哺乳動物細胞中不同的信道類型。外部的，捏造和純化的單壁碳納米管受阻K·通道亞單位中的劑量依賴性。堵塞是依賴于所使用的納米顆粒的形狀和尺寸，并不需要任何電化學相互作用。單壁碳納米管比球形富勒烯更有效，而為兩個，直徑是決定因素。這些調查結果推斷的新用途用于生物應用的單壁碳納米管和提供意想不到的見解的理事離子通道的相互作用機制當前視圖與阻斷分子Here we identify a novel class of biological membrane ion channel blockers called single-walled carb

7、on nanotubes (SWNTs). SWNTs with diameter distributions peaked at 0.9 and 1.3 nm, C60 fullerenes, multi wall nanotubes (MWNTs), and hyperfullerenes (nano-“onions”) were synthesized by several techniques and applied to diverse channel types heterologously expressed in mammalian cells. External as-fab

8、ricated and purified SWNTs blocked K channel subunits in a dose-dependent manner. Blockage was dependent on the shape and dimensions of the nanoparticles used and did not require any electrochemical interaction. SWNTs were more effective than the spherical fullerenes and, for both, diameter was the

9、determining factor. These findings postulate new uses for SWNTs in biological applications and provide unexpected insights into the current view of mechanisms governing the interaction of ion channels with blocking molecules.Carbon nanotubes (CNTs) due to their unique properties have sparked interes

10、t for their use inbiomedical applications in recent years. In particular, the use of CNTs as substrates/scaffolds for neuralcell growth has been an area of active research over the past decade. CNTs, either native or functionalizedwith various chemical groups, are biocompatible with neuronal cell ad

11、hesion and growth. FunctionalizedCNTs can modulate the neuronal growth in graded manner; positively charged CNTs promoted neuriteoutgrowth of hippocampal neurons in culture to a greater extent than when these cells were grown onneutral or negatively charged CNTs. Conductivity and mechanical properti

12、es of CNTs have been shown toaffect neuronal morphology as well. Other neural cells, such as stem and glial cells, can also be successfullygrown on CNT substrates. While currently the acute toxicity of CNTs is considered comparable to that ofother forms of carbon, the long-term exposures limits need

13、 to be established in order to use these materialsas neural prosthesis. Nonetheless, accumulating data support the use of CNTs as a biocompatible andpermissive substrate/scaffold for neural cells and such application holds great potential in biomedicine.碳納米管（CNTs ）由于其獨特的性能已引起了關注他們在醫學領域的應用在最近幾年中使用。特別

14、是，使用CNT作為基材/支架的神經細胞的生長一直活躍的研究在過去十年的區域。碳納米管，無論是本地或功能化與各種化學基團，具有生物相容性與神經元細胞的粘附和生長。官能化碳納米管可以調節。梯度方式的神經元生長，帶正電荷的碳納米管促進了在培養的海馬神經元的神經突向外生長至更大的程度比當這些細胞生長在中性或帶負電荷的碳納米管。電導率和碳納米管的機械性能已被證明影響神經元的形態為好。其他的神經細胞，例如干細胞和膠質細胞，也可成功地生長在碳納米管的基板。盡管目前碳納米管的急性毒性視為與其他形式的碳，長期暴露限值需要建立在為了使用這些材料作為神經假體。盡管如此，積累的數據支持使用碳納米管作為一種生物相容性和

15、寬容的基板/支架的神經細胞，而該應用程序保存在生物醫學的巨大潛力。Application of carbon nanotubes in neurology: clinical perspectives and toxicological risksAntonio Nunes, Khuloud Al-Jamal, Takeshi Nakajima, Marwan Hariz, Kostas KostarelosArchives of Toxicology, 2012, 86(7): 1009-1020了解負責碳納米管（CNT ）內化到活細胞的機制，既從根本上來看和基于CNT的輸送系統，以細胞內目

16、標的進一步的工程很重要。雖然一些研究主要集中在這樣的碳納米管為基礎的傳輸系統的開發，試圖系統地闡明碳納米管的細胞攝取機制仍然相當有限。本研究的目的是評估的化學官能化的多壁碳納米管（ F-多壁碳納米管）在不同的眾所周知的細胞攝取抑制劑的存在下的細胞內化。我們的數據表明F-多壁碳納米管是如何能夠跨越兩個吞噬細胞和非吞噬細胞系的細胞膜易位。我們已經證明了的F-多壁碳納米管的至少30-50是通過能量無關的機理被細胞吸收。這種特性使得納米管裝載有治療或診斷的貨物非常有趣，因為活性分子的釋放，直接進入細胞質增加其生物活性和治療效果。Translocation mechanisms of chemicall

17、y functionalised carbon nanotubes across plasma membranes原代培養神經元細胞包括 大腦皮質神經元、多巴胺神經元、海馬神經元等。通過胚胎中腦祖細胞(MPC)體外培養獲得高純度的多巴胺神經元培養體系 近些年，神經生物學家為了實現在細胞水平和分子水平深入研究發育中腦神經細胞的生化代謝、生理、藥理及形態，比如對電位活動、酶的代謝、生長分化、突觸形成以及神經生長因子的作用等進行研究，已由過去的神經組織培養轉移到神經細胞的分散培養，原代培養的神經元純度高，活性強，更能代表體內神經元的發育狀況和生理活性，與多次傳代的神經細胞株相比可更直觀更準確地觀察各

18、種病理因素及藥物對神經系統的影響。神經元屬于有絲分裂后細胞，已分化成熟，外源基因很難進入，極難轉染，然而基因一旦成功轉染神經元并在神經元中表達，在該神經元存活的整個過程中都能表達該基因。常用方法：如磷酸鈣、脂質體、腺病毒、電穿孔等均可將外源基因導入神經元細胞，區別在于轉染效率及細胞毒性各有不同，需要結合具體實驗條件進行優化。表面修飾基團（如羧基）過量，會增加CNTs的細胞毒性。CNTs表面電性對細胞行為的影響研究最早以神經細胞為模型。由于CNTs的不可生物降解性，它可以作為植入物來指導神經細胞的生長修復。Hu等79通過化學修飾方法使MWCNTs表面分別顯示正電荷(MWCNT-EN、負電荷(MW

19、CNT-COOH)和接近中性C MW CNT-PAB S，作為小鼠海馬神經元細胞的培養基底。實驗結果發現神經元在三種電負性不同的MWCNTs上均生長良好，單個神經元軸突的數目沒有顯著差異。但MWCNTs表面電負性的差異卻可以對神經元軸突的分支生發產生顯著的影響，在正電表面生長的神經元，其軸突平均長度和軸突分支數目上都顯著優于其他兩種基質上的神經元;而在負電表面生長的神經元生長丘數目和軸突分支數都明顯低于另外兩種基質上的情況(圖1-11)。Zanello等還發現CNTs的表面電性同樣能影響到骨細胞的生長，例如骨肉瘤ROS 17/2.8細胞在帶電中性的CNTs上可以達到最高的細胞存活率?？傊?，CN

20、Ts形貌和表面性能影響細胞生長行為的研究目前仍然處于比較初期的階段，仍然需要人們的進一步努力去了解。CNTs用作藥物載體時，人們很關心的一個問題就是CNTs進入細胞的途徑和機理，即CNTs如何與細胞相互作用并最終進入到細胞內部，在細胞內分布如何等。搞清楚這個問題，對構建CNTs基的胞內載藥體系有重要的指導性意義。目前，研究CNTs進入細胞的機理研究一般做法是將帶有熒光基團的分了以共價或非共價的方式連在管壁上以對CNTs進入細胞的行為進行觀察。但是，關于(改性后的)CNTs進入細胞的機理還存在比較大的分歧，實驗證明經過DNA高分子或蛋白質修飾的SWCNTs采用內吞(Endocytosis的方式進

21、入細胞，而經1,3一開環加成改性得到的水溶性Ammonium-CNTs可以不采取內吞的方式直接穿越細胞膜進入細胞內部。這兩種機制的最大的區別在于內吞方式是細胞主動吞噬CNTs的過程，需要細胞消耗能量(ATP)，而直接穿越的方式則與脂溶性物質穿越細胞膜的方式類似，細胞不需要消耗ATP是被動的過程。Carbon nanotubes (CNTs) are a man-made form of carbon that does not exist in our environment until 1991. Due to their unique electronic and mechanical p

22、roperties combined with chemical stability, CNTs have been produced in ton quantities, and their potential application ranges from biomedicine through nanoelectronics to mechanical engineering. People will have more chances to face this novel type of materials along with exploring the potential appl

23、ication of CNTs. Therefore, it is urgent and necessary to investigate the cyto/biocompatibility of CNTs. However, it is also important to establish and develop modification methods to improve the bio/cytocompatibility of CNTs for safer and better application of their outstanding properties. In a way

24、, the research of CNTs based scaffold biomaterials and targeted drug carriers have been the hot spots in nanobiotechnology.CNTs可與其他生物材料形成復合材料對于周圍神經缺損進行自體修復CNTs可作為良好的神經元細胞相容性生物電極隨著碳納米管(CNTs)技術研究的不斷深入，人們發現CNTs在神經科學尤其是在神經細胞體外生長機制的研究方面有潛在的應用價值。它有可能作為體內移植物誘導脊索和腦神經損傷組織的再生，也可以作為細胞外骨架誘導神經軸突的定向生長。同時能夠調節軸突的分支

25、形成，最終形成神經元突觸間的復雜連接。作為新的生物材料，如果CNTs能夠誘導神經再生，那么就可以為偏癱、截癱、以及其他神經系統退變和損害。周圍神經損傷乃至神經系統變性疾病提供新的治療方法。已證實，SWNT能把電信號傳導給神經細胞，這意味著碳納米管有可能替代或激活眼睛、大腦和脊髓中的神經細胞。CNTs可以誘使干細胞發育成神經細胞；可以刺激神經元軸突再生1，亦可減少瘢痕組織的產生；研究結果顯示，結合了CNTs具有納米級尺寸的神經營養因子可以通過細胞的吞噬作用穿過細胞膜的脂質雙分子層進入細胞內，和神經營養因子受體結合。即，結合了神經營養因子的CNTs可以調節神經元細胞的分化和生長2，但要想清楚CNT

26、s是如何進入神經元細胞的還需要進一步的研究。CNTs在神經科學尤其是在神經細胞體外生長機制的研究方面有潛在的應用價值。它有可能作為體內移植物誘導脊索和腦神經損傷組織的再生，也可以作為細胞外骨架誘導神經軸突的定向生長。同時能夠調節軸突的分支形成，最終形成神經元突觸間的復雜連接。1 Webster TJ, Waid MC, McKenzie JL, et al. Nano-biotechnology: carbon nanofibres as improved neural and orthopaedic implants. Nano Tech, 2004, 15: 48.2 Matsumoto

27、K, Sato C, Naka Y, et al. Neurite outgrowths of neurns with neurotrophin-coated carbon nanotubes. J Biosci Bioeng, 2007, 103(3): 216-220.SWNTs因其具有良好的生物相容性，已經用于研究神經細胞的體外生長和電信號傳遞機制?？梢栽谏窠浗M織修復過程中作為細胞支架材料，也可以在神經檢測過程中作為生物電極材料。3 Hu H, Ni Y, Montana V, Haddon RC, Parpura V. Chemically Functionalized Carbon

28、Nanotubes as Substrates for Neuronal Growth. Nano Lett. 2004 4(3):507-511.Zhao等4利用SWNTs較強的跨膜能力來攜帶基因或藥物分子用于在小鼠體內進行治療神經膠質瘤，研究結果顯示CNTs具有一定的抗腫瘤效果。Yang等5將攜帶乙酰膽堿的SWNTs灌注進阿爾茨海默病模型小鼠的胃腸道內，發現SWNTs具有減輕神經退行性疾病癥狀的效果，并呈現出劑量依賴性和一定的靶向性。4 Zhao D, Alizadeh D, Zhang L et al, (2011) Carbon nanotubes enhance CpG uptake and potentiate antiglioma immunity. Clin Cancer Res, 17: 771-782.5 Yang Z, Zhang Y, Yang Y et al, (2010) Pharmacological and toxicological target organelles and