氧化锌纳米颗粒通过铁过载和氧化应激诱导血脑屏障功能障碍的机制研究

本研究针对氧化锌纳米颗粒(ZnO-NPs)广泛使用可能引发的神经毒性问题，通过体外血脑屏障(BBB)模型揭示了ZnO-NPs通过铁过载、氧化应激和溶酶体功能障碍导致BBB通透性增加的分子机制，为纳米材料神经毒性评估提供了重要理论依据。

　　

随着纳米技术的快速发展，氧化锌纳米颗粒(ZnO-NPs)因其独特的物理化学性质被广泛应用于日化用品、食品包装、医疗器械等领域。然而，这些直径小于50 nm的颗粒能够穿透生物屏障的特性也引发了对其潜在健康风险的担忧。特别值得关注的是，已有研究表明ZnO-NPs能够跨越血脑屏障(BBB)并在脑组织中蓄积，但对其影响BBB完整性的具体机制仍不清楚。BBB作为中枢神经系统的重要保护屏障，其功能障碍与阿尔茨海默病、脑卒中等多种神经系统疾病密切相关。因此，阐明ZnO-NPs对BBB的毒性作用机制具有重要的公共卫生意义。

来自韩国的研究人员在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表的研究中，采用小鼠脑微血管内皮细胞(bEnd.3)和人脑微血管内皮细胞(hCMEC/D3)建立了体外BBB模型，通过透射电镜观察纳米颗粒的细胞摄取，利用流式细胞术检测细胞内铁离子水平和脂质过氧化，采用Western blot分析紧密连接蛋白表达，并结合TEER和FITC-葡聚糖渗透实验评估屏障功能，系统研究了ZnO-NPs对BBB的影响及其分子机制。

3.1 ZnO-NPs诱导脑内皮细胞铁死亡
透射电镜观察发现ZnO-NPs主要蓄积在bEnd.3细胞的溶酶体中。20 μg/mL ZnO-NPs处理显著增加细胞内Fe²⁺
水平，降低谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)表达，并增强脂质过氧化，这些均是铁死亡的典型特征。锌离子螯合剂DTPA可部分逆转细胞毒性，表明溶解的锌离子和颗粒本身共同参与毒性效应。

3.2 氧化应激依赖性溶酶体功能障碍
ZnO-NPs处理导致活性氧(ROS)水平升高和谷胱甘肽(GSH)耗竭。抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)能减轻溶酶体损伤，证实氧化应激在溶酶体功能障碍中的关键作用。铁螯剂去铁胺(DFO)和铁死亡抑制剂Fer-1均可缓解细胞毒性，提示铁过载和氧化应激的协同损伤。

3.3 溶酶体功能紊乱与组织蛋白酶B释放
LysoTracker和吖啶橙染色显示ZnO-NPs导致溶酶体膜通透性增加。伴随JAK2/STAT3信号通路激活，溶酶体蛋白酶cathepsin B释放至胞质，进一步加剧细胞损伤。CA-074-ME(组织蛋白酶B抑制剂)处理可改善细胞存活率。

3.4 铁过载导致自噬流紊乱
ZnO-NPs处理增加LC3B-II转化和p62积累，表明自噬体-溶酶体融合受阻。免疫荧光显示LC3B与溶酶体标志物LAMP-1共定位减少，透射电镜观察到自噬体堆积。DFO处理可部分恢复自噬流，证实铁过载是自噬紊乱的主要原因。

3.5 BBB通透性增加与紧密连接蛋白降解
ZnO-NPs剂量依赖性降低紧密连接蛋白ZO-1和claudin-5表达。体外BBB模型显示TEER值下降和FITC-葡聚糖渗透增加，DFO处理可逆转这些变化，表明铁过载是BBB破坏的关键介质。

3.6 ZnO-NPs诱导BBB损伤的AOP框架
基于实验证据构建的不良结局路径(AOP)显示：ZnO-NPs蓄积→溶酶体损伤→铁释放→氧化应激→自噬紊乱→紧密连接蛋白降解→BBB通透性增加。在hCMEC/D3细胞中验证了类似毒性通路，证实该机制在人类细胞的适用性。

这项研究首次系统阐明了ZnO-NPs通过铁过载-氧化应激-溶酶体损伤轴破坏BBB完整性的分子机制。发现的AOP框架不仅为纳米材料神经毒性风险评估提供了科学依据，也为开发保护BBB功能的干预策略指明了方向。特别是铁螯合剂和抗氧化剂的保护效果，提示针对铁代谢和氧化还原平衡可能是减轻纳米材料神经毒性的潜在途径。未来研究需要进一步验证这些发现在体内模型的适用性，并探索长期低剂量暴露的累积效应，为制定更安全的纳米材料使用标准提供依据。