三维浮动细胞外基质模型：纳米材料毒性高通量筛选的新策略

本研究针对纳米材料毒性评估中存在的团聚沉降和光学干扰问题，开发了基于384柱/孔平台的三维浮动细胞外基质(3D floating ECM)模型。通过比较传统二维(2D)和新型三维模型对20 nm二氧化硅纳米颗粒(SiNPs)的毒性检测差异，发现3D模型能有效消除纳米颗粒沉降干扰，准确反映血清环境对SiNPs毒性的影响。该研究为纳米材料安全评估提供了可靠的新方法学(NAMs)，相关成果发表于《Journal of Biological Engineering》。

　　

在食品科学、医学和电子等领域，纳米材料的应用正迅速扩展，但其独特理化性质给安全性评估带来巨大挑战。传统二维细胞模型在纳米材料毒性检测中存在明显局限：纳米颗粒易发生团聚沉降，其光学特性还会干扰检测信号，导致数据可靠性存疑。更棘手的是，血清成分会改变纳米颗粒行为，使得不同实验室的结果难以比较。这些问题的存在，使得建立标准化的纳米毒性评估方法成为当务之急。

韩国科学技术院联合韩国毒理学研究所等机构的研究团队创新性地开发了基于384柱/孔平台的三维浮动细胞外基质模型。这项发表在《Journal of Biological Engineering》的研究显示，与传统2D模型相比，该3D系统能有效规避纳米颗粒沉降和光学干扰问题，为纳米材料安全评估提供了更精准的高通量筛选方案。

研究团队主要采用三项关键技术：1）动态光散射(DLS)和透射电镜(TEM)表征纳米颗粒理化性质；2）Turbiscan稳定性分析仪实时监测纳米颗粒在不同培养基中的分散行为；3）基于384柱/孔平台的3D浮动ECM模型，通过倒置培养方式避免纳米颗粒沉降干扰，结合Calcein AM荧光染色评估细胞活性。所有实验均使用人支气管上皮细胞(BEAS-2B)和肺腺癌细胞(A549)进行验证。

NPs暴露系统的设计原理
研究首先对比了传统2D与新型3D模型的暴露机制差异。在2D模型中，纳米颗粒受重力作用沉积于单层细胞表面，而3D浮动ECM模型采用倒置设计，细胞仅暴露于均匀分散的纳米颗粒中。这种创新设计有效减少了沉降干扰，BEAS-2B细胞在藻酸盐支架中成功形成3D结构。

SiNPs的培养基依赖性稳定性
通过多方法表征确认20 nm SiNPs在去离子水中呈单分散状态。但在含血清培养基中，DLS显示其粒径显著增大：RPMI完全培养基中从71.1 nm增至382.2 nm，BEGM完全培养基中甚至达到3000 nm。Turbiscan稳定性指数(TSI)分析证实，血清会加速SiNPs的团聚和沉降，这种效应在BEGM培养基中尤为明显。

2D与3D模型的毒性差异
在2D模型中，SiNPs在无血清培养基(BEGM-SF)中显示出更强毒性(IC₅₀=69.2 μg/mL)vs含血清培养基(IC₅₀=127.7 μg/mL)。但3D模型呈现不同趋势：虽然无血清条件下仍保持毒性(IC₅₀=164.5 μg/mL)，但在BEGM完全培养基中毒性消失。荧光标记实验(FITC-SiNPs)和生物电镜证实，3D模型中血清环境下的SiNPs几乎不被细胞摄取。

光学干扰问题的解决
以10 nm银纳米颗粒(AgNPs)为例，其紫外吸收峰(405 nm)会干扰传统MTS检测。3D模型通过Calcein AM荧光检测规避了这一问题，准确显示AgNPs在无血清条件下的剂量依赖性毒性，而传统方法因颗粒吸附会产生假阳性结果。

这项研究建立的3D浮动ECM模型成功解决了纳米毒性评估中的两大难题：通过倒置培养设计避免沉降干扰，采用荧光检测规避光学干扰。特别重要的是，该模型能更真实地模拟体内环境，反映血清蛋白对纳米颗粒行为的调节作用。相比传统2D模型，3D系统与体内数据的相关性更好，这在ISO技术报告(ISO/TR22455)中已得到认可。研究不仅为20 nm SiNPs和AgNPs的安全评估提供了新见解，更为各类纳米材料的高通量筛选建立了标准化平台。未来，这种基于生理相关性的评估策略有望扩展到肝、肾等其他器官模型的毒性测试中，推动纳米毒理学研究向更高通量、更精准的方向发展。