纳米二氧化硅对呼吸系统毒性及NF-κB在其中的作用

纳米二氧化硅对呼吸系统毒性及NF-κB在其中的作用

杨玉姗，郭可芸，朱雅新，金玉兰*

华北理工大学   063210

摘要：纳米二氧化硅（SiNPs）作为纳米二氧化硅外观为白色无定形粉末，粒子尺寸在1~100nm之间，比表面积大且化学性质稳定，作为纳米技术消费产品中最常用的五种纳米材料之一，接触纳米SiO2的机会不断增加，有关暴露于其的健康危害的证据也在不断增加[1]，因此其安全性问题也逐步被大众所关注。相关工矿职业人群通过呼吸道、皮肤、消化道等多种途径摄入体内，一般人群也可通过生物医疗、食品添加等途径将其摄入体内[2]。SiNPs在体内、外均可诱导炎症和氧化应激反应，而长期接触SiNPs粉尘后，会引起以肺组织慢性持续性炎症与进行性纤维化为主要病理特点的全身性疾病[3]。肺部由于其特殊的解剖结构及生理功能，使得呼吸系统成为重要的入侵途径之一。核因子κB（nuclear factor kappa B, NF-κB）作为一种重要的转录因子，对于研究细胞功能、机体对疾病的反应和机体健康发展十分重要，有证据表明，NF-κB参与SiO2诱导的矽肺鼠模型的炎症纤维化发生发展过程，且抑制NF-κB后肺部炎症和纤维化均有所缓解。因此，从SiNPs毒作用机制和NF-κB在其中发挥的作用两部分整理相关的研究进展。

关键词：纳米二氧化硅；肺毒性；NF-κB

与常规颗粒相比，纳米颗粒更容易进入肺间隙，并在肺间隙中滞留更长的时间，纳米SiO2颗粒可通过多种途径进入机体，由于肺部特殊的解剖结构及生理功能，使得呼吸系统成为重要的入侵途径之一。由于纳米SiO2具有较小的粒径及较大的比表面积，可逃避呼吸系统中细胞的吞噬作用，在肺泡中沉积和传播，也可透过气血屏障进入循环系统，对肺部以外的器官产生毒性作用。NF-κB存在于绝大多数动物细胞内，参与细胞对刺激的反应，它的错误调节会引发许多疾病。在纳米SiO2诱导的肺纤维化中，NF-κB信号通路一方面可能通过刺激巨噬细胞产生TNF-α、转化生长因子-β（Transforming growth factor-β，TGF-β）等炎性因子引起肺部炎症，另一方面可能通过调控肺泡上皮细胞中肺表面活性物质的表达以及调控EMT过程来影响肺纤维化的发展，是纳米SiO2的肺毒性研究中的关键靶点。因此，笔者就已有的体内、外关于SiNPs呼吸系统毒性尤其是肺部毒性及NF-κB相关作用的研究进展作如下综述。

1. SiNPs的呼吸系统毒性

应用体外实验评估对人肺组织支气管上皮（BEAS-2B）细胞的毒性及其相关机制。10nm和50nm SiNPs在两种类型的支气管上皮细胞（BEAS-2B和HBEC3-KT）中引起的促炎反应，发现与较大颗粒相比，较小的SiNPs通过p38磷酸化、TACE介导的TGF-α释放以及NF-κB活化强烈诱导细胞因子CXCL8和IL-6[4]。氧化应激与7-nm SiNPs在人肺成纤维细胞（MRC-5）中引起的细胞毒性有关[5]。为进一步探讨细胞因子与ROS的关系，Refsnes等[6]证实高浓度的50-nm SiNPs在BEAS-2B细胞中以时间依赖性方式诱导ROS形成。此外，SiNPs引起的ROS产生降低了紧密连接蛋白ZO-1 mRNA的表达[7]，证实了SiNPs通过ROS/ERK途径和连接蛋白对肺上皮连接的结构和功能的影响。

微阵列数据分析用于研究N-SiNPs引起的基因水平变化。用低剂量60-nm SiNPs连续处理BEAS-2B细胞40代，发现DNA损伤由p53信号的恶性转化引起[8]。同样研究表明[9]SiNPs颗粒大小对基因表达谱的影响，发现随着纳米颗粒大小的减小，参与免疫和炎性反应的基因表达逐渐增加。

炎性反应导致炎性细胞特别是肺泡巨噬细胞的聚集，其中使用RAW 264.7评估SiNPs暴露对巨噬细胞产生影响[10]且NR8383获得了更有说服力的结果[11,12]。用SiNPs处理NR8383细胞，发现细胞毒性与趋化反应相关，而趋化反应又与促炎趋化因子（CCL4、CXCL1、CXCL3和TNF-α）的转录升高对应。通过评价上清液中乳酸脱氢酶（LDH）和葡萄糖醛酸酶的含量和代谢组学分析，揭示了剂量和时间依赖性细胞毒性趋势。

通过体内实验，将SiNPs直接通过气管内滴注、和鼻内滴注建立动物模型。体内给药SiNPs可能导致急性肺部炎症、肺纤维化、肺泡损伤、肉芽肿结节形成和其他效应，可采集肺组织或支气管肺泡灌洗液，以评估SiNPs的毒性作用。SiNPs引起的毒性与脂质过氧化增加有关，释放的细胞因子包括IL-1α、IL-1β和TGF-β1在SiNPs表面电晕上的积聚[13]，气道炎症和粘液分泌增多、以及呼吸道间质中结缔组织的破坏[14]。

2.NF-κB在纳米SiO2所致肺毒性中的作用

NF-κB在哺乳动物细胞中最常见的形式是P50/P65

的异二聚体，与其负调控因子IkBa形成复合物，当细胞受到内外部刺激时，IkBa通过上游分子的激活而磷酸化降解，P50/P65从复合体中分离并转运到细胞核中激活基因表达。该二聚体通过参与响应细胞对外界刺激，调控许多重要的生物学过程，在免疫应答、炎症反应、细胞活化、增殖和分化中起到关键作用[15,16]。

纳米二氧化硅诱导巨噬细胞后，通过转录组高通量测序筛选出差异高表达基因91个，DEGs功能富集差异基因主要富集在NF-κB、I-κB激酶/NF-κB等主要激活抑病毒和促纤维化作用的信号通路[17]。体内体外研究结果也表明受外界刺激的影响肺泡II型上皮细胞中的NF-κB P65、SFTPA、SFTPB等蛋白均出现异常表达，表明NF-κB信号通路能够影响肺泡II型上皮细胞的数量及分泌功能[18]。染矽尘大鼠NF-κB P65在细胞核和细胞浆中表现阳性定位，且主要表达在支气管壁上皮细胞、巨噬细胞、中性粒细胞、肺间质细胞和肺泡上皮细胞中[19]。当抑制PI3K/Akt/NF-κB信号通路时，降低NF-κB活性可以逆转EMT，提示NF-κB的活性升高是促进EMT发生以及肿瘤细胞产生耐药性的重要机制之一[20]。由此可见，在纳米二氧化硅诱导的肺纤维化中，可能通过调控肺泡上皮细胞中肺表面活性物质的表达以及调控EMT过程来影响肺纤维化的发展。另一方面，巨噬细胞通过产生TNF-α、TGF-β等细胞因子调控NF-κB信号通路引起肺部炎症来影响肺部纤维化的进展。

本文从呼吸系统入手，讨论了SiNPs的体外和体内毒性及其与NF-κB相关的机制。SiNPs引起的细胞毒性和器官损伤的严重程度不同，受多种因素影响。SiNPs的毒性机制包括氧化应激、炎症、凋亡、纤维化等；然而，对所涉及的信号通路的研究仍然相对不完整，因此今后的SiNPs毒性研究应实际用途纳入考量标准，细化体内外安全性评价指标，继续深入NF-κB及其他通路上、下游信号调节，了解纳米材料对人类的毒性存在的诸多挑战。

[1] 张晓雪, 王路遥, 李宁, 等. 纳米二氧化硅对职业接触人群健康影响[J]. 中国职业医学, 2018, 45(04): 530-533.

[2] Fard J K, Jafari S, Eghbal M A. A Review of Molecular Mechanisms Involved in Toxicity of Nanoparticles[J]. Advanced pharmaceutical bulletin, 2015, 5(4): 447-54.

[3] 张元元, 薄存香, 张放. 肺泡巨噬细胞在矽肺发病机制中的研究进展[J]. 中国职业医学, 2020, 47(01): 109-113.

[4] Låg M, Skuland T, Godymchuk A, et al. Silica Nanoparticle-induced Cytokine Responses in BEAS-2B and HBEC3-KT Cells: Significance of Particle Size and Signalling Pathways in Different Lung Cell Cultures[J]. Basic & clinical pharmacology & toxicology, 2018, 122(6): 620-632.

[5] Voicu S N P, Dinu D, Sima C, et al. Silica Nanoparticles Induce Oxidative Stress and Autophagy but Not Apoptosis in the MRC-5 Cell Line[J]. International journal of molecular sciences, 2015, 16(12): 29398-416.

[6] Refsnes M, Skuland T, Lilleaas E, et al. Concentration-dependent cytokine responses of silica nanoparticles and role of ROS in human lung epithelial cells[J]. Basic & clinical pharmacology & toxicology, 2019, 125(3): 304-314.

[7] Liu Y, Wei H, Tang J, et al. Dysfunction of pulmonary epithelial tight junction induced by silicon dioxide nanoparticles via the ROS/ERK pathway and protein degradation[J]. Chemosphere, 2020, 255: 126954.

[8] Guo C, Wang J, Yang M, et al. Amorphous silica nanoparticles induce malignant transformation and tumorigenesis of human lung epithelial cells via P53 signaling[J]. Nanotoxicology, 2017, 11(9-10): 1176-1194.

[9] Li Y, Duan J, Chai X, et al. Microarray-assisted size-effect study of amorphous silica nanoparticles on human bronchial epithelial cells[J]. Nanoscale, 2019, 11(47): 22907-22923.

[10] Inoue M, Sakamoto K, Suzuki A, et al. Size and surface modification of silica nanoparticles affect the severity of lung toxicity by modulating endosomal ROS generation in macrophages[J]. Particle and fibre toxicology, 2021, 18(1): 21.

[11] Schremmer I, Brik A, Weber D G, et al. Kinetics of chemotaxis, cytokine, and chemokine release of NR8383 macrophages after exposure to inflammatory and inert granular insoluble particles[J]. Toxicology letters, 2016, 263: 68-75.

[12] Bannuscher A, Hellack B, Bahl A, et al. Metabolomics profiling to investigate nanomaterial toxicity in vitro and in vivo[J]. Nanotoxicology, 2020, 14(6): 807-826.

[13] Yang H, Wu Q Y, Li M Y, et al. Pulmonary Toxicity in Rats Caused by Exposure to Intratracheal Instillation of SiO2 Nanoparticles[J]. Biomedical and environmental sciences : BES, 2017, 30(4): 264-279.

[14] Yukina G Y, Polovnikov I V, Sukhorukova E G, et al. Morphological Analysis of the Respiratory Tract of Rats after Parenteral Administration of Silicon Dioxide Nanoparticles[J]. Bulletin of experimental biology and medicine, 2020, 170(1): 93-97.

[15] Sen R. Control of B lymphocyte apoptosis by the transcription factor NF-kappaB[J]. Immunity, 2006, 25(6): 871-83.

[16] Natoli G, Saccani S, Bosisio D, et al. Interactions of NF-kappaB with chromatin: the art of being at the right place at the right time[J]. Nature immunology, 2005, 6(5): 439-45.

[17] 郭伟, 赵凤玲, 王迪. 基于高通量测序探索粉尘暴露对巨噬细胞基因表达水平的影响[J]. 中国卫生检验杂志, 2019, 29(08): 910-913.

[18] 阮玲瑛, 薛坤娇, 应林燕, 等. 敲除Brg1基因对小鼠肺泡Ⅱ型上皮细胞数量和功能的影响及其机制研究[J]. 第三军医大学学报, 2020, 42(07): 656-663.

[19] 石连平, 李霞, 王婧, 等. 核转录因子与巨噬细胞移动抑制因子在染矽尘大鼠肺组织中的表达[J]. 卫生研究, 2020, 49(06): 944-948.

[20] 吴小祥. 黄芩素可增强肺腺癌细胞对顺铂的敏感性及其与PI3K/Akt/NF-κB信号通路的关系[D]. 蚌埠医学院, 2016.