還原氧化石墨烯對人原代成纖維細胞的毒性研究

付 翔，李明新，彭馳偉，王凱旋*

(1.桂林醫學院附屬醫院，廣西 桂林 541001；2.唐山中心醫院，河北 唐山 063000)

石墨烯(graphene)是一種單原子層石墨，是零維富勒烯的基本結構單元,具有超薄、超高強度等特性，被廣泛應用于超輕防彈衣、超薄超輕型飛機材料等領域[1]。氧化石墨烯(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)是石墨烯最重要的2種衍生物[2]。rGO具有細胞毒性，并且還原度越高的rGO細胞毒性越大；與GO相比，rGO更易黏附在細胞表面[3]。石墨烯及其衍生物具有高度的生物相容性、低毒性和大劑量的負載能力[4]，近10年來，在生物醫學方面的研究受到了前所未有的關注[5]，但其在再生醫學的應用尚處于早期階段[6]。

成纖維細胞(fibroblasts)是皮膚真皮網織層中最重要的細胞，主要存在于疏松結締組織中，能合成和分泌大量膠原蛋白，對維持皮膚的彈性和韌性具有重要作用[7]。成纖維細胞對不同程度的細胞變性、壞死和組織缺損以及骨創傷的修復有著十分重要的作用[8-10]。研究發現，成纖維細胞具有不同類型，它們的獨特性能可幫助修復受損皮膚，并降低年齡老化對皮膚的影響[11]。通過皮膚表皮信號的刺激可增加成纖維細胞的數量，有助于傷口愈合過程中毛囊的形成，進而降低皮膚愈合后落下疤痕的幾率[12]。

目前，文獻報道的大多是GO或石墨烯薄膜在醫學方面的研究，對rGO毒理特性的報道較少。但rGO是新型骨架材料的優良選擇，有必要研究其對細胞的毒性。因此，作者用GO制備rGO，通過CCK8法細胞活性檢測及細胞劃痕實驗研究rGO對人原代成纖維細胞的毒性。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

人表皮組織，由桂林醫學院附屬醫院提供。

氧化石墨烯(GO)，江蘇先豐納米材料科技有限公司；DMEM/F12(1∶1)培養基、胰蛋白酶、PBS緩沖液，美國GIBCO公司；胎牛血清(FBS)，巴西Lonsera公司；CCK8試劑盒，日本同仁化學研究所。

CO2細胞培養箱、離心機，德國艾本德公司；超凈工作臺，上海蘇凈實驗設備公司；YXQ-IS-75SⅡ型壓力蒸汽滅菌器，上海三申醫療器械有限公司；IX73型倒置熒光顯微鏡，日本Olympus公司；細胞計數盤，南寧精密儀器廠；Infinite F200型連續光柵型酶標儀，瑞士Tecan公司；純水超純水制作系統，Millipore公司。

1.2 方法

1.2.1 rGO溶液的制備

將GO平鋪于盛有石墨的帶蓋平面器皿上，放入微波爐中高溫微波10 s，得到黑色物質，輕輕用鑷子將其移入另一個器皿中，輕觸器皿壁使之鋪平，再高溫微波10 s[13]，即得rGO。用蒸餾水配制成濃度為1.0 mg·mL-1的rGO母液，再稀釋成不同濃度(0、5、10、15、20、25、30、35、40，μg·mL-1)，備用。

1.2.2 人原代成纖維細胞的提取

將人表皮組織放入預冷的75%酒精中浸泡，然后移至超凈臺，Hanks液清洗3次后用剪刀剪成4 mm左右的碎塊，再用Hanks液清洗2～3次以除去血球和脂肪組織。將預處理過的人表皮組織放入培養瓶中，置于培養箱中孵育，待組織貼壁5 d后，換液(注意動作輕，避免組織脫落)；觀察到細胞觸角生出后，將組織塊拿出，放入培養箱中繼續培養；待細胞密度達到80%時，用Hanks液洗滌，棄上清，PBS緩沖液清洗2～3次后加入胰蛋白酶消化細胞并分瓶培養[14]。

1.2.3 人原代成纖維細胞的培養

采用含100 U·mL-1青霉素、100 μg·mL-1鏈霉素和體積分數為10%的FBS的 DMEM培養液，于37 ℃、5%CO2培養箱中常規培養人原代成纖維細胞，每隔2 d換液1次，取對數生長期細胞用于后續實驗。

1.2.4 rGO的表征

將濃度為1.0 mg·mL-1的rGO超聲30 s后，吸取1滴，滴在200目的超薄銅網上，自然風干后用透射電子顯微鏡觀察rGO的形貌特征。

1.2.5 CCK8法檢測細胞活性

在人原代成纖維細胞生長至細胞密度達到80%時，用1 mL PBS緩沖液清洗后吸出，用2 mL胰蛋白酶消化后收集，重懸為單細胞懸液，用細胞計數板計數，按式(1)計算細胞密度(個·mL-1)：

(1)

根據計算出的細胞密度，配制密度為6×104個·mL-1的細胞懸液，加入96孔板中，每孔100 μL，即每孔細胞數為6 000個。96孔板周邊培養孔中，加入100 μL PBS緩沖液以避免細胞培養過程中由于培養液蒸發導致的實驗誤差。將96孔板放入恒溫細胞培養箱中培養，待細胞貼壁生長、每孔細胞密度達到80%時，分別給予不同濃度的rGO，繼續培養至24 h后，移除孔板內培養基，每孔加入預先配制的100 μL CCK8溶液，置于恒溫細胞培養箱中孵育1 h，用酶標儀測定450 nm處吸光度，按式(2)計算細胞活性：

(2)

式中：A為含有細胞、CCK8、rGO的溶液吸光度；A空白為僅含CCK8的溶液吸光度；A0為含有細胞、CCK8而不含rGO的溶液吸光度。

1.2.6 細胞劃痕實驗

用培養液將細胞密度調整為1×104個·mL-1， 接種于24 孔板中，每孔1 mL；待細胞貼壁生長24 h、細胞密度達到約80%時，棄培養液，用PBS緩沖液清洗3次；在孔板底部中央垂直劃痕，PBS緩沖液清洗3次，去除多余的死細胞，用顯微鏡觀察并拍照；采用隨機數字表法分為對照組和rGO組(0、5、10、15、20、25、30、35、40，μg·mL-1)，將24孔板放入恒溫培養箱中繼續培養24 h后取出，棄培養液，用顯微鏡觀察并拍照。

1.2.7 統計方法及數據處理

采用GraphPad Prism 5.0對實驗數據進行統計學處理并作圖，多個樣本間的比較采用單因素方差分析。

2 結果與討論

2.1 rGO的表征

與GO比較，所制備的rGO的顏色更深，粉末更細，透射電子顯微鏡下呈現明顯的薄層和典型的褶皺形態，如圖1所示。

圖1 rGO的TEM照片

2.2 人原代成纖維細胞的培養

按1.2.2提取人原代成纖維細胞，進行常規培養。培養至第10 d時，細胞開始慢慢從組織中伸出；培養至第15 d時，細胞開始伸出觸角且數量越來越多，分布越來越密集，如圖2所示。

圖2 人原代成纖維細胞的顯微鏡照片(黑色部分為組織塊)

2.3 rGO對人原代成纖維細胞活性的影響(圖3)

*P<0.05

由圖3可以看出，當rGO濃度小于5 μg·mL-1時，不影響人原代成纖維細胞的生長，細胞活性與rGO干預前相當；當rGO濃度為10～40 μg·mL-1時，細胞活性呈濃度依賴性降低。因此，5 μg·mL-1是rGO對人原代成纖維細胞的安全濃度。

2.4 細胞劃痕實驗結果(圖4)

圖4 細胞劃痕實驗結果

由圖4可以看出，當rGO濃度小于5 μg·mL-1時，不影響人原代成纖維細胞的愈合；當rGO濃度大于5 μg·mL-1后，細胞愈合能力受到影響，且隨著rGO濃度的增加，影響越來越明顯。

本實驗僅在體外初步研究了rGO對人原代成纖維細胞愈合的影響，在實際應用中還需要重點解決其毒性問題。目前關于rGO對皮膚的影響研究少見報道，今后可以更進一步研究rGO對皮膚的影響，探討影響機制，發掘rGO對人類機體更多的生物作用。

3 結論

以GO制備的rGO顏色變深，粉末變細，具有明顯的薄層和褶皺結構。以rGO溶液作用于人原代成纖維細胞，干預24 h后進行細胞活性檢測和細胞劃痕實驗。結果表明，5 μg·mL-1是rGO對人原代成纖維細胞的安全濃度，濃度大于5 μg·mL-1后，細胞毒性隨著濃度的增加逐漸增強；當rGO濃度小于5 μg·mL-1時，不影響人原代成纖維細胞的愈合。