聚乙二醇涂层调控MXene纳米颗粒亚细胞毒性机制及其多模态人工智能分析新策略

本研究针对MXene纳米材料在生物医学应用中潜在的亚细胞毒性问题，通过超分辨率显微成像技术揭示了其对内质网的特异性损伤机制，并创新性地采用聚乙二醇表面修饰策略显著降低毒性。研究人员进一步引入大型多模态模型实现生物图像的智能解析，为纳米材料安全性评估提供了新型人工智能方法论，对推动MXenes的安全生物医学应用具有重要价值。

　　

随着二维材料MXenes在能源存储、生物医学工程和环境修复等领域的广泛应用，其生物安全性问题日益受到关注。这类由过渡金属碳化物/氮化物构成的新型纳米材料，虽然具有优异的导电性、机械强度和可调控的表面化学特性，但其纳米尺度和高表面活性可能引发细胞毒性效应，特别是对亚细胞器官的潜在影响尚不明确。研究表明，纳米材料即使在未引起明显细胞死亡的浓度下，仍可能对线粒体、内质网(Endoplasmic Reticulum, ER)和溶酶体等细胞器造成功能损伤，这种亚细胞水平的毒性往往成为纳米材料生物应用的主要障碍。

在《Materials Today Bio》发表的最新研究中，Aditya Yadav、Eugene Lee、Rui Chen、Soryong R. Chae、Yujie Sun和Jiajie Diao组成的国际合作团队，系统探究了MXenes与亚细胞器官的相互作用机制，并创新性地采用聚乙二醇(Polyethylene Glycol, PEG)表面修饰策略降低其毒性，同时引入大型多模态模型(Large Multimodal Model, LMM)实现超分辨率显微镜图像的智能解析。

研究人员采用细胞计数试剂盒(CCK-8)检测、结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy, SIM)成像、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy, TEM)表征、动态光散射(Dynamic Light Scattering, DLS)分析和人工智能图像解析等多学科技术方法，以HeLa细胞和HEK细胞为模型，通过质粒转染和特异性荧光染色标记不同细胞器，系统评估了MXenes的亚细胞毒性效应及PEG修饰的改善作用。

结果与讨论

MXenes诱导内质网特异性损伤

通过SIM超分辨率成像发现，MXenes在1.56-12.5 μg/mL浓度范围内虽不引起明显细胞毒性，但对内质网结构产生浓度依赖性破坏。未处理细胞中内质网呈现典型的线状网状结构，而随着MXenes浓度增加(3.12-12.5 μg/mL)，内质网逐渐碎片化并最终形成圆形结构，线粒体和溶酶体形态则保持完整。

细胞器特异性毒性机制

MXenes的负表面电荷(Zeta电位-15.7 mV)是其产生选择性毒性的关键因素。线粒体膜电位(Mitochondrial Membrane Potential, MMP)维持的负电荷环境与MXenes产生静电排斥，而溶酶体的酸性环境和降解功能可有效处理MXenes。内质网由于缺乏明确的膜电位，中性电荷特性使其更容易与带负电的MXenes发生相互作用，导致结构破坏。

PEG涂层有效减轻毒性

透射电镜显示PEG涂层改变了MXenes的分散状态，1:1和1:10(MXene:PEG)重量比涂层均导致颗粒聚集。功能实验表明，1:1 PEG涂层在6.25 μg/mL浓度下可保护内质网完整性，但在12.5 μg/mL时仍出现毒性；而1:10高密度PEG涂层在两个浓度下均能显著抑制内质网损伤，在HEK细胞中也观察到类似保护效果。

人工智能辅助图像解析

研究创新性地采用Gemma 3 (27B)多模态模型，通过精心设计的提示工程策略，使模型能够根据内质网形态特征准确推断未知样品中的MXenes浓度(6.25-8.0 μg/mL)和MXene:PEG比例(1:10)，展示了人工智能在生物图像定量分析中的巨大潜力。

本研究系统阐明了MXenes通过表面电荷介导的亚细胞毒性机制，证实了其对内质网的特异性损伤效应，并建立了有效的PEG表面功能化策略来改善生物相容性。更重要的是，研究开创性地将大型多模态人工智能模型引入超分辨率显微镜图像的解析中，实现了对纳米材料生物效应的智能评估，为纳米材料的安全性评价和优化设计提供了新的方法论框架。这种跨学科研究策略不仅推动了MXenes在生物医学领域的安全应用，也为人工智能辅助的生物医学研究开辟了新的方向。