来源：爱博泰克生命科学

多维Ti3C2(MXene)基纳米材料（m-MBNs，包括纳米片和量子点(QDs)）是极其重要的过渡金属碳化物或碳氮化物，在动物模型的癌症治疗中具有显著的光热活性，并显示了潜在的实际应用前景。然而，关于多维MXene诱导的生物相容性、代谢过程和机制变化的详细生物信息较为匮乏。代谢组学结合脂质组学分析技术提供了一种具有大量生物信息的替代方案，它在分子水平上揭示了生物体在外源刺激下的生物反应。

四川大学华西医院（临床蛋白组学与代谢组学实验室，系统遗传研究院）张定坤助理研究员、龚萌副研究员在国际学术期刊Chemistry of Materials上合作发表了题为“Investigating the biological effect of multidimensional Ti3C2 (MXene)-based nanomaterials through a metabolomics combined lipidomics approach: a multidimensional-determined alteration in energy metabolism”的研究论文，该项研究揭示了多维MXene在代谢组学层面的调控新机制。

研究人员选择m-MBNs与人脐静脉内皮细胞(HUVECs)相互作用，采用代谢组学结合脂质组学方法来探索HUVECs代谢组。结果表明，m-MBNs诱导了HUVECs能量代谢相关生物学行为的变化，而MXene QDs诱导了细胞代谢的显著变化（图1-4），这与多维度诱导的线粒体功能障碍相关（图5）。这些代谢组学结果可以拓宽m-MBNs生物学效应的研究领域，并进一步推进该研究领域的创新、材料改进和技术改进。

图1 m-MBNs相关细胞实验与组学研究流程。包括m-MBNs表征、m-MBNs-HUVECs相互作用、代谢组学分析、脂质组学分析、数据统计分析、DESI-MSI分析和生物学验证。该过程建立了一个合理的模型，用于有效分析代谢物和评估m-MBN的纳米毒性。

图2 m-MBNs干预下细胞代谢组学变化规律。在筛选出的56种差异代谢物（包括有机酸、氨基酸、脂肪酸、糖类等）和相应的代谢途径中，与能量代谢相关的细胞通路（包括糖酵解、TCA循环、戊糖磷酸途径(PPP)和脂肪酸生物合成）在“m-MBNs-细胞”相互作用中占主导地位。这种相互作用还表明，由于内吞作用，MXene QDs干预的样品相关代谢物和代谢途径收到的影响更大，而MXene纳米片产生的干扰相对较弱。

图3 m-MBNs干预下细胞脂质组学变化规律。观察到脂质组也受到显著干扰，其中MXene QD干预过程诱导脂质增加，包括磷脂、溶血磷脂、甘油脂和胆固醇酯，且具有更复杂的脂质间关系，而MXene纳米片干预过程相对较弱，这表明MXene QD诱导的脂质分子变化和脂质代谢更强烈。

图4 m-MBNs干预下空间代谢组学变化规律。为了进一步证实上述代谢组学结合脂质组学分析结果，作者收集并观察了肺、肾和肝冷冻切片的分子图像，通过DESI-MSI研究了MXene纳米片干预和MXene QDs干预的小鼠。DESI-MSI由电源、溶剂、毛细管、自由移动的样品台和MS入口组成，可实现各种代谢物的空间分布测试。

图5 m-MBNs诱导细胞线粒体功能障碍。基于上述代谢组学和脂质组学的结果，作者推测m-MBNs诱导的细胞能量代谢变化（包括糖酵解、PPP、TCA循环和脂肪酸生物合成）与线粒体功能障碍密切相关。

综上所述，该研究使用代谢组学结合脂质组学方法来探索m-MBNs对HUVECs的多维度诱导生物学效应。结果表明，m-MBNs的干预能诱导能量代谢发生改变，例如抑制TCA循环并增强糖酵解。同时，作者还发现代谢过程与MXene的空间维度有关，其中MXene QDs干预侧重于PPP、氧化磷酸化、氨基酸代谢、嘧啶代谢和脂质生物合成，而MXene nanosheets干预侧重于脂肪酸生物合成。相比之下，MXene QDs可以穿透细胞膜并导致更严重的线粒体功能障碍和产生更多的ROS，而MXene纳米片侧重于间接产生作用。

根据上述结果，m-MBNs对HUVECs的生物学效应描述如下：（i）m-MBNs-细胞相互作用，（ii）m-MBNs诱导的线粒体功能障碍，（iii）抑制TCA循环和增强糖酵解以进行能量补偿。上述发现还表明，在m-MBNs在生物体模型的进一步应用中，需要将HUVECs中能量代谢的改变视为潜在的慢性副作用。综上所述，作者认为这种新型代谢组学结合脂质组学技术可以很好地在分子水平上开展多维纳米材料的生物学效应研究，并进一步指导研究领域创新、材料改性和技术改进。

该研究工作：

1首次基于代谢组学联合脂质组学考察MXene QD生物安全性的研究；

2首次研究多维MXene诱导的代谢组和脂质组水平变化的研究；

3从组学层面揭示了m-MBNs诱导能量代谢发生改变和线粒体功能紊乱的新分子机制。

诚挚感谢张定坤助理研究

（zhangdk14@outlook.com）

对本文的编辑和校对工作，同时张老师很高兴和各位研究者交流学习。

四川大学华西医院（临床蛋白组学与代谢组学实验室，系统遗传研究院）龚萌副研究员为该论文的通讯作者。四川大学华西医院（临床蛋白组学与代谢组学实验室，系统遗传研究院）张定坤助理研究员为该论文的作者.该项研究工作得到了国家自然科学基金等项目资助。

期刊：Chemistry of Materials

影响因子：9.811

客户单位：

四川大学华西医院（临床蛋白组学与代谢组学实验室，系统遗传研究院）

文章作者：

四川大学华西医院（临床蛋白组学与代谢组学实验室，系统遗传研究院）张定坤助理研究员

通讯作者：

四川大学华西医院（临床蛋白组学与代谢组学实验室，系统遗传研究院）龚萌副研究员

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参考文献

Pareek,V;Tian,H.;Winograd,N.;Benkovic,S.J.,Metabolomics and mass spectrometry imaging reveal channeled de novo purine synthesis in cells.Science2020,368,283-290.

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