化學(xué)惰性纖維納米材料廣泛應(yīng)用于建筑、紡織、醫(yī)藥等領(lǐng)域。然而，此類材料的應(yīng)用與纖維釋放和暴露于公眾的固有可能性有關(guān)。過去幾十年發(fā)表的研究證明，接觸化學(xué)成分差異很大的各種納米纖維會導(dǎo)致類似于石棉誘發(fā)的疾病，即肺部炎癥和肺纖維化。這表明，這些納米纖維的毒性不僅與它們的表面化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，而且在很大程度上與它們的形狀和尺寸有關(guān)。

 

當(dāng)小型活體或礦物外源性實體進(jìn)入體內(nèi)時，組織內(nèi)的巨噬細(xì)胞會迅速識別它們，并試圖通過吞噬作用將其清除。然而，與病原體不同的是，病原體在密封的吞噬多聚體內(nèi)很容易被吞噬并分解成小分子，纖維狀納米材料太長，無法被巨噬細(xì)胞完全吸收，也太穩(wěn)定，無法降解成碎片。這導(dǎo)致了一種被稱為“抑制吞噬作用”的情況，這種情況可以持續(xù)很長時間，這取決于纖維的長度和化學(xué)性質(zhì)。因此，預(yù)計在未封閉的吞噬溶酶體中活躍的 NADPH 氧化酶 (NOX) 和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶 (iNOS) 池的協(xié)同作用會持續(xù)產(chǎn)生活性氧和氮物種（ROS 和 RNS）。事實上，由此產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)行為預(yù)計會導(dǎo)致 ROS/RNS 持續(xù)釋放，并從巨噬細(xì)胞杯中漏出。如果這種情況確實發(fā)生，ROS/RNS 對周圍肺組織的持續(xù)破壞預(yù)計將導(dǎo)致周圍細(xì)胞損傷和局部慢性炎癥，最終可能發(fā)展為肺纖維化和肺癌等疾病。

 

在過去的幾十年里，一些涉及ROS/RNS染色的研究或用纖維納米材料（包括碳納米管和石棉）進(jìn)行的擴(kuò)展體內(nèi)實驗支持了這一假設(shè)。然而，由于缺乏合適的精確分析傳感器，泄漏反應(yīng)物種的化學(xué)性質(zhì)及其分布的時空特征都無法揭示。相反，新一代納米電化學(xué)生物傳感器實現(xiàn)了高靈敏度和精確的測量，具有高選擇性和出色的時空分辨率，從而促進(jìn)了活細(xì)胞內(nèi)單細(xì)胞或細(xì)胞器水平的分子通量的表征和定量，而不損害其完整性和功能。

 

鑒于此，武漢大學(xué)黃衛(wèi)華、廈門大學(xué)Christian Amatore等人報告了一種電化學(xué)納米傳感器，用于監(jiān)測和定量表征單個巨噬細(xì)胞對玻璃納米纖維的吞噬作用受阻期間活性物質(zhì)釋放的通量和動態(tài)。

 

 

 

從石英濾膜中提取的所有玻璃納米纖維均呈現(xiàn)規(guī)則的圓柱形，平均直徑為 650 nm。通過不同孔徑的網(wǎng)過濾將它們分為兩類：“長”纖維的平均長度為 70μm，“短”纖維的平均長度為 10 μm。每一類纖維基本上都是由硅和氧元素組成，沒有任何內(nèi)毒素污染。當(dāng) RAW 264.7 鼠巨噬細(xì)胞在長或短玻璃納米纖維存在下預(yù)孵育時，它們的吞噬作用受到抑制，但仍保持高活力。即使在12小時的長時間持續(xù)后，巨噬細(xì)胞也不能完全吞噬玻璃納米纖維，并表現(xiàn)出吞噬作用受阻的所有特征。這表明 ROS/RNS 可以從巨噬細(xì)胞未密封的吞噬杯中持續(xù)溢出到鄰近組織。

 

研究人員使用鉑黑修飾碳化硅納米線(SiC@PtNW）電化學(xué)傳感器來監(jiān)測經(jīng)歷受挫的玻璃納米纖維吞噬作用的單個巨噬細(xì)胞發(fā)射的ROS/RNS通量的強(qiáng)度和時間變化。這使能夠證明ROS/RNS通過未密封的吞噬杯大量釋放，有趣的是，它們的通量不斷增加，直到玻璃納米纖維可以被完全包裹。這些ROS/RNS的持續(xù)、強(qiáng)烈和局部釋放使鄰近細(xì)胞暴露于嚴(yán)重氧化應(yīng)激的條件下。

 

 

圖|巨噬細(xì)胞抑制玻璃纖維吞噬作用的特征

 

在不同的培養(yǎng)時間，具有不同的表現(xiàn)：

1）在嘗試吞噬4小時后，巨噬細(xì)胞通過逐漸向上延伸其偽足以捕獲纖維來包裹部分玻璃納米纖維，而沒有表現(xiàn)出任何其他明顯的形態(tài)變化。

 

 

圖|吞噬作用4h后ROS/RNS的產(chǎn)生

 

2）吞噬作用12小時后，細(xì)胞形態(tài)發(fā)生巨大改變，細(xì)胞體沿纖維軸伸長，呈現(xiàn)紡錘形。研究人員還揭示了 ROS/RNS 釋放量的非常顯著的空間差異，最高的排放量來自吞噬杯區(qū)域，最小的排放量來自細(xì)胞頂部。

 

 

圖|吞噬作用12小時后ROS/RNS的產(chǎn)生

 

3）吞噬作用受阻20小時后，細(xì)胞達(dá)到極度拉伸的形狀，只有一小部分納米纖維仍暴露在細(xì)胞外，而偽足從封閉的吞噬袋末端延伸。研究結(jié)果清楚地表明，為了應(yīng)對困難的吞噬情況，巨噬細(xì)胞可以強(qiáng)烈增加其吞噬袋內(nèi)ROS/RNS的產(chǎn)生，其中大部分通過未密封的吞噬杯泄漏，因此不會危及自己的身體。

 

4）吞噬作用24小時不成功后，SEM圖像表明細(xì)胞可以通過關(guān)閉吞噬杯來完全包裹纖維，這可能是通過多細(xì)胞共吞噬作用或自我分裂，這讓人想起慢性炎癥情況下的肉芽腫。與吞噬作用受阻 20 小時后觀察到的結(jié)果相比，細(xì)胞末端釋放的 ROS/RNS 通量顯著減少約 20 倍。在細(xì)胞頂部記錄的 ROS/RNS 通量也低得多。這些結(jié)果表明，在該條件下，嘗試的吞噬事件最終導(dǎo)致細(xì)胞包膜內(nèi)抗性納米纖維的分離，并與釋放的 ROS/RNS 急劇減少有關(guān)。

 

 

圖|吞噬作用24小時后ROS/RNS的產(chǎn)生

 

此外，使用短纖維和經(jīng)典脂多糖 (LPS) 刺激作為對照實驗來研究 ROS/RNS 的釋放。結(jié)果表明，只有長納米纖維觸發(fā)的吞噬作用受阻才能導(dǎo)致強(qiáng)烈的 ROS/RNS 滲漏，并且這種滲漏很容易誘發(fā)纖維和巨噬細(xì)胞所在的組織損傷。

 

 

圖|吞噬抑制過程中ROS/RNS滲漏的動態(tài)變化

 

最后，研究人員在細(xì)胞共培養(yǎng)和體內(nèi)實驗表明，在體內(nèi)條件下，這導(dǎo)致肺組織在持續(xù)局部損傷后出現(xiàn)慢性炎癥。

 

 

圖|吞噬功能受損引起的肺損傷

 

本文使用當(dāng)前的 SiC@Pt NW 電化學(xué)傳感器，明確證明、表征和定量監(jiān)測了在高縱橫比玻璃納米纖維的吞噬受阻的單個巨噬細(xì)胞中強(qiáng)烈連續(xù)泄漏 ROS/RNS 的存在和時空特征。這項工作中報道的高度靈敏的電化學(xué)納米傳感方法定量和動力學(xué)地證明并支持了先前的假設(shè)，即與吸入化學(xué)惰性納米纖維相關(guān)的肺損傷是由于巨噬細(xì)胞釋放的ROS/RNS的長時間大流量的作用而發(fā)生的，巨噬細(xì)胞正在經(jīng)歷高縱橫比惰性納米材料的抑制吞噬作用。

 

參考文獻(xiàn)：

Qi, YT., Zhang, FL., Tian, SY. et al. Nanosensor detection of reactive oxygen and nitrogen species leakage in frustrated phagocytosis of nanofibres. Nat. Nanotechnol. (2024).

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01575-0