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化学惰性纤维纳米材料广泛应用于建筑、纺织、医药等领域。然而，此类材料的应用与纤维释放和暴露于公众的固有可能性有关。过去几十年发表的研究证明，接触化学成分差异很大的各种纳米纤维会导致类似于石棉诱发的疾病，即肺部炎症和肺纤维化。这表明，这些纳米纤维的毒性不仅与它们的表面化学性质有关，而且在很大程度上与它们的形状和尺寸有关。

 

当小型活体或矿物外源性实体进入体内时，组织内的巨噬细胞会迅速识别它们，并试图通过吞噬作用将其清除。然而，与病原体不同的是，病原体在密封的吞噬多聚体内很容易被吞噬并分解成小分子，纤维状纳米材料太长，无法被巨噬细胞完全吸收，也太稳定，无法降解成碎片。这导致了一种被称为“抑制吞噬作用”的情况，这种情况可以持续很长时间，这取决于纤维的长度和化学性质。因此，预计在未封闭的吞噬溶酶体中活跃的 NADPH 氧化酶 (NOX) 和诱导型一氧化氮合酶 (iNOS) 池的协同作用会持续产生活性氧和氮物种（ROS 和 RNS）。事实上，由此产生的稳态行为预计会导致 ROS/RNS 持续释放，并从巨噬细胞杯中漏出。如果这种情况确实发生，ROS/RNS 对周围肺组织的持续破坏预计将导致周围细胞损伤和局部慢性炎症，最终可能发展为肺纤维化和肺癌等疾病。

 

在过去的几十年里，一些涉及ROS/RNS染色的研究或用纤维纳米材料（包括碳纳米管和石棉）进行的扩展体内实验支持了这一假设。然而，由于缺乏合适的精确分析传感器，泄漏反应物种的化学性质及其分布的时空特征都无法揭示。相反，新一代纳米电化学生物传感器实现了高灵敏度和精确的测量，具有高选择性和出色的时空分辨率，从而促进了活细胞内单细胞或细胞器水平的分子通量的表征和定量，而不损害其完整性和功能。

 

鉴于此，武汉大学黄卫华、厦门大学Christian Amatore等人报告了一种电化学纳米传感器，用于监测和定量表征单个巨噬细胞对玻璃纳米纤维的吞噬作用受阻期间活性物质释放的通量和动态。

 

 

 

从石英滤膜中提取的所有玻璃纳米纤维均呈现规则的圆柱形，平均直径为 650 nm。通过不同孔径的网过滤将它们分为两类：“长”纤维的平均长度为 70μm，“短”纤维的平均长度为 10 μm。每一类纤维基本上都是由硅和氧元素组成，没有任何内毒素污染。当 RAW 264.7 鼠巨噬细胞在长或短玻璃纳米纤维存在下预孵育时，它们的吞噬作用受到抑制，但仍保持高活力。即使在12小时的长时间持续后，巨噬细胞也不能完全吞噬玻璃纳米纤维，并表现出吞噬作用受阻的所有特征。这表明 ROS/RNS 可以从巨噬细胞未密封的吞噬杯中持续溢出到邻近组织。

 

研究人员使用铂黑修饰碳化硅纳米线(SiC@PtNW）电化学传感器来监测经历受挫的玻璃纳米纤维吞噬作用的单个巨噬细胞发射的ROS/RNS通量的强度和时间变化。这使能够证明ROS/RNS通过未密封的吞噬杯大量释放，有趣的是，它们的通量不断增加，直到玻璃纳米纤维可以被完全包裹。这些ROS/RNS的持续、强烈和局部释放使邻近细胞暴露于严重氧化应激的条件下。

 

 

图|巨噬细胞抑制玻璃纤维吞噬作用的特征

 

在不同的培养时间，具有不同的表现：

1）在尝试吞噬4小时后，巨噬细胞通过逐渐向上延伸其伪足以捕获纤维来包裹部分玻璃纳米纤维，而没有表现出任何其他明显的形态变化。

 

 

图|吞噬作用4h后ROS/RNS的产生

 

2）吞噬作用12小时后，细胞形态发生巨大改变，细胞体沿纤维轴伸长，呈现纺锤形。研究人员还揭示了 ROS/RNS 释放量的非常显着的空间差异，最高的排放量来自吞噬杯区域，最小的排放量来自细胞顶部。

 

 

图|吞噬作用12小时后ROS/RNS的产生

 

3）吞噬作用受阻20小时后，细胞达到极度拉伸的形状，只有一小部分纳米纤维仍暴露在细胞外，而伪足从封闭的吞噬袋末端延伸。研究结果清楚地表明，为了应对困难的吞噬情况，巨噬细胞可以强烈增加其吞噬袋内ROS/RNS的产生，其中大部分通过未密封的吞噬杯泄漏，因此不会危及自己的身体。

 

4）吞噬作用24小时不成功后，SEM图像表明细胞可以通过关闭吞噬杯来完全包裹纤维，这可能是通过多细胞共吞噬作用或自我分裂，这让人想起慢性炎症情况下的肉芽肿。与吞噬作用受阻 20 小时后观察到的结果相比，细胞末端释放的 ROS/RNS 通量显着减少约 20 倍。在细胞顶部记录的 ROS/RNS 通量也低得多。这些结果表明，在该条件下，尝试的吞噬事件最终导致细胞包膜内抗性纳米纤维的分离，并与释放的 ROS/RNS 急剧减少有关。

 

 

图|吞噬作用24小时后ROS/RNS的产生

 

此外，使用短纤维和经典脂多糖 (LPS) 刺激作为对照实验来研究 ROS/RNS 的释放。结果表明，只有长纳米纤维触发的吞噬作用受阻才能导致强烈的 ROS/RNS 渗漏，并且这种渗漏很容易诱发纤维和巨噬细胞所在的组织损伤。

 

 

图|吞噬抑制过程中ROS/RNS渗漏的动态变化

 

最后，研究人员在细胞共培养和体内实验表明，在体内条件下，这导致肺组织在持续局部损伤后出现慢性炎症。

 

 

图|吞噬功能受损引起的肺损伤

 

本文使用当前的 SiC@Pt NW 电化学传感器，明确证明、表征和定量监测了在高纵横比玻璃纳米纤维的吞噬受阻的单个巨噬细胞中强烈连续泄漏 ROS/RNS 的存在和时空特征。这项工作中报道的高度灵敏的电化学纳米传感方法定量和动力学地证明并支持了先前的假设，即与吸入化学惰性纳米纤维相关的肺损伤是由于巨噬细胞释放的ROS/RNS的长时间大流量的作用而发生的，巨噬细胞正在经历高纵横比惰性纳米材料的抑制吞噬作用。

 

参考文献：

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