化學惰性纖維納米材料廣泛應用于建筑、紡織、醫藥等領域。然而，此類材料的應用與纖維釋放和暴露于公眾的固有可能性有關。過去幾十年發表的研究證明，接觸化學成分差異很大的各種納米纖維會導致類似于石棉誘發的疾病，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性質有關，而且在很大程度上與它們的形狀和尺寸有關。

 

當小型活體或礦物外源性實體進入體內時，組織內的巨噬細胞會迅速識別它們，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，無法被巨噬細胞完全吸收，也太穩定，無法降解成碎片。這導致了一種被稱為“抑制吞噬作用”的情況，這種情況可以持續很長時間，這取決于纖維的長度和化學性質。因此，預計在未封閉的吞噬溶酶體中活躍的 NADPH 氧化酶 (NOX) 和誘導型一氧化氮合酶 (iNOS) 池的協同作用會持續產生活性氧和氮物種（ROS 和 RNS）。事實上，由此產生的穩態行為預計會導致 ROS/RNS 持續釋放，并從巨噬細胞杯中漏出。如果這種情況確實發生，ROS/RNS 對周圍肺組織的持續破壞預計將導致周圍細胞損傷和局部慢性炎癥，最終可能發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）進行的擴展體內實驗支持了這一假設。然而，由于缺乏合適的精確分析傳感器，泄漏反應物種的化學性質及其分布的時空特征都無法揭示。相反，新一代納米電化學生物傳感器實現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，從而促進了活細胞內單細胞或細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，武漢大學黃衛華、廈門大學Christian Amatore等人報告了一種電化學納米傳感器，用于監測和定量表征單個巨噬細胞對玻璃納米纖維的吞噬作用受阻期間活性物質釋放的通量和動態。

 

 

 

從石英濾膜中提取的所有玻璃納米纖維均呈現規則的圓柱形，平均直徑為 650 nm。通過不同孔徑的網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，沒有任何內毒素污染。當 RAW 264.7 鼠巨噬細胞在長或短玻璃納米纖維存在下預孵育時，它們的吞噬作用受到抑制，但仍保持高活力。即使在12小時的長時間持續后，巨噬細胞也不能完全吞噬玻璃納米纖維，并表現出吞噬作用受阻的所有特征。這表明 ROS/RNS 可以從巨噬細胞未密封的吞噬杯中持續溢出到鄰近組織。

 

研究人員使用鉑黑修飾碳化硅納米線(SiC@PtNW）電化學傳感器來監測經歷受挫的玻璃納米纖維吞噬作用的單個巨噬細胞發射的ROS/RNS通量的強度和時間變化。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、強烈和局部釋放使鄰近細胞暴露于嚴重氧化應激的條件下。

 

 

圖|巨噬細胞抑制玻璃纖維吞噬作用的特征

 

在不同的培養時間，具有不同的表現：

1）在嘗試吞噬4小時后，巨噬細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，而沒有表現出任何其他明顯的形態變化。

 

 

圖|吞噬作用4h后ROS/RNS的產生

 

2）吞噬作用12小時后，細胞形態發生巨大改變，細胞體沿纖維軸伸長，呈現紡錘形。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域，最小的排放量來自細胞頂部。

 

 

圖|吞噬作用12小時后ROS/RNS的產生

 

3）吞噬作用受阻20小時后，細胞達到極度拉伸的形狀，只有一小部分納米纖維仍暴露在細胞外，而偽足從封閉的吞噬袋末端延伸。研究結果清楚地表明，為了應對困難的吞噬情況，巨噬細胞可以強烈增加其吞噬袋內ROS/RNS的產生，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圖像表明細胞可以通過關閉吞噬杯來完全包裹纖維，這可能是通過多細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 小時后觀察到的結果相比，細胞末端釋放的 ROS/RNS 通量顯著減少約 20 倍。在細胞頂部記錄的 ROS/RNS 通量也低得多。這些結果表明，在該條件下，嘗試的吞噬事件最終導致細胞包膜內抗性納米纖維的分離，并與釋放的 ROS/RNS 急劇減少有關。

 

 

圖|吞噬作用24小時后ROS/RNS的產生

 

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

 

 

圖|吞噬抑制過程中ROS/RNS滲漏的動態變化

 

最后，研究人員在細胞共培養和體內實驗表明，在體內條件下，這導致肺組織在持續局部損傷后出現慢性炎癥。

 

 

圖|吞噬功能受損引起的肺損傷

 

本文使用當前的 SiC@Pt NW 電化學傳感器，明確證明、表征和定量監測了在高縱橫比玻璃納米纖維的吞噬受阻的單個巨噬細胞中強烈連續泄漏 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納米傳感方法定量和動力學地證明并支持了先前的假設，即與吸入化學惰性納米纖維相關的肺損傷是由于巨噬細胞釋放的ROS/RNS的長時間大流量的作用而發生的，巨噬細胞正在經歷高縱橫比惰性納米材料的抑制吞噬作用。

 

參考文獻：

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