基于蛋白质组学解析纳米纤维形态驱动的致病性机制及生物标志物发现

本研究针对纳米纤维(NFs)形态依赖性毒性的评估难题，通过NR8383肺泡巨噬细胞模型结合蛋白质组学分析，揭示了SiC/TiO2 纳米纤维通过诱导氧化应激、溶酶体功能障碍和炎症反应等关键事件引发细胞毒性，鉴定出58个特异性生物标志物，为建立符合3R原则的体外毒性预测体系提供了分子基础。

　　

吸入性纤维的形态特征与其致病潜力密切相关，这一现象被归纳为"纤维致病范式"(Fiber Pathogenicity Paradigm, FPP)。世界卫生组织(WHO)将直径<3μm、长度>5μm、长径比>3:1的纤维定义为高危形态。随着纳米技术的发展，硅碳化物(SiC)和二氧化钛(TiO₂
)等纳米纤维(NFs)在能源存储、生物医学等领域的应用日益广泛，但其形态驱动的毒性机制尚未完全阐明。目前评估主要依赖动物实验，这与国际推行的3R(替代、减少、优化)原则相悖。德国联邦风险评估研究所等机构的研究团队在《Nano Today》发表论文，通过整合肺泡巨噬细胞实验与高通量蛋白质组学技术，系统揭示了NFs形态依赖性毒性的分子机制。

研究采用NR8383大鼠肺泡巨噬细胞模型，结合扫描电镜(SEM)形态分析、乳酸脱氢酶(LDH)活性检测、β-葡萄糖醛酸酶(GLU)释放测定等技术评估细胞毒性；运用液相色谱-质谱联用(LC-MS/MS)进行蛋白质组学分析，通过MaxQuant软件进行数据挖掘，STRING数据库完成通路富集分析。

【材料表征】SEM定量分析显示，原始SiC NFs平均长度9511±8002nm，含56%符合WHO标准的危险纤维；TiO₂
NFs平均长度1357±980nm，危险纤维占比<4%。研磨处理后，两者长度分别缩短至1373±936nm和467±285nm，长径比从>60:1降至约9:1。

【巨噬细胞响应】细胞吞噬实验显示，完整NFs引发"挫败性吞噬"(frustrated phagocytosis)——巨噬细胞无法完全内化长纤维，导致细胞膜穿孔和溶酶体酶泄漏。肺泡巨噬细胞检测发现，45μg/mL完整NFs可诱导剂量依赖性的LDH泄漏(细胞毒性)、H₂
O₂
生成(氧化应激)及TNF-α释放(炎症)，而研磨片段仅在高浓度(≥90μg/mL)产生轻微效应。

【蛋白质组学特征】亚细胞毒性浓度(45μg/mL)处理18小时后，完整SiC/TiO₂
NFs分别改变32%/8%的蛋白质表达，而研磨材料影响可忽略。KEGG通路分析揭示：

1. 溶酶体通路：15种水解酶(包括cathepsin B/C/S/Z)显著下调，暗示溶酶体膜完整性破坏；
2. 吞噬体通路：甘露糖-6-磷酸受体(M6pr)等7种膜转运蛋白上调，反映代偿性吞噬增强；
3. 代谢重编程：谷胱甘肽S-转移酶(GST)等25种代谢酶下调，氧化磷酸化相关蛋白上调；
4. 炎症网络：arginase-1(Arg1)表达显著升高，白细胞介素1β(Il1b)水平降低，提示特异性炎症调控。

研究创新性地提出包含58个蛋白质的"形态毒性指纹"，其中溶酶体水解酶cathepsin B与炎症因子Arg1等9个蛋白被验证为跨材料通用的生物标志物。这些发现不仅完善了"挫败性吞噬"理论的分子细节，更为建立基于肺泡巨噬细胞蛋白质组学的NFs风险评估新策略奠定了基础。该研究首次实现从蛋白质组层面区分NFs形态依赖性毒性，为欧盟委员会"安全可持续设计"(Safe-and-Sustainable-by-Design)政策提供了关键技术支撑。通过将传统毒理学终点与多组学分析相结合，推动了纳米材料毒性评估从现象描述向机制解析的范式转变。