银纳米颗粒诱导细胞毒性的分子机制：从基因到代谢物的多组学整合分析

本研究针对银纳米颗粒(AgNPs)在生物医学应用中潜在的细胞毒性问题，通过整合转录组学和代谢组学技术，系统揭示了AgNPs对人真皮成纤维细胞(HDFs)的毒性作用机制。研究发现AgNPs通过影响嘌呤代谢、鞘脂代谢等7条关键通路，调控ADCY4、SPHK1等9个关键基因和黄嘌呤、胆碱等8种代谢物，导致氧化应激、能量代谢紊乱、细胞周期阻滞等多重毒性效应。该研究为AgNPs的安全应用提供了重要理论依据，论文发表在《Scientific Reports》。

　　

银纳米颗粒(AgNPs)因其卓越的抗菌性能被广泛应用于医疗器械和敷料领域，但其潜在的细胞毒性机制尚未完全阐明。特别是在伤口愈合过程中，AgNPs与皮肤主要修复细胞——人真皮成纤维细胞(HDFs)的直接接触可能影响愈合进程。现有研究多局限于单一组学层面，缺乏从基因到代谢物的系统性机制解析，这既阻碍了AgNPs产品的优化开发，也限制了其毒性预测的准确性。

针对这一科学问题，东南大学生物科学与医学工程学院数字医学工程国家重点实验室的研究团队在《Scientific Reports》发表了创新性研究成果。该研究通过整合转录组测序和LC-Q/TOF-MS代谢组学技术，结合流式细胞术、高内涵成像等验证实验，首次系统揭示了AgNPs从基因表达到代谢调控的毒性作用网络。

研究主要采用三大关键技术：1) 透射电镜(TEM)和动态光散射(DLS)表征20 nm AgNPs的理化特性；2) Illumina平台进行时间梯度(4/8/24 h)的转录组测序，结合DESeq2筛选差异表达基因(DEGs)；3) 基于STRING数据库的基因互作分析和Cytoscape网络构建，整合前期代谢组学数据发现关键调控网络。

结果与讨论
AgNPs表征与细胞模型选择
制备的AgNPs呈球形，平均粒径20.13±1.91 nm，zeta电位-34.42 mV。选择HDFs作为模型细胞，因其是皮肤屏障的主要组成，且直接接触含AgNPs的医用敷料。

转录组学揭示动态基因调控
AgNPs处理4/8/24 h后分别鉴定到1365/1241/2790个DEGs，KEGG分析涉及250-280条通路。随时间延长，基因扰动显著增强，24 h时细胞周期、能量代谢相关通路富集最显著。

多组学整合发现核心网络
通过关联代谢组数据，鉴定出7条关键代谢通路，构建了两个核心调控网络：

1. 网络1：ADCY4(腺苷酸环化酶4)、PLD2(磷脂酶D2)和SPHK1(鞘氨醇激酶1)通过调控嘌呤代谢(黄嘌呤↑)和鞘脂代谢(鞘氨醇波动)，影响ROS生成和细胞增殖；
2. 网络2：FASN(脂肪酸合酶)和HK1/2(己糖激酶)等通过脂肪酸代谢(棕榈酸↓)和糖代谢(葡萄糖波动)，干扰能量供应。
   

实验验证毒性表型

1. 氧化应激：DHE检测显示AgNPs显著增加超氧化物水平(p<0.01)；
2. 细胞周期：流式细胞术证实G₂/M期阻滞(24 h时G₁期细胞减少15%)；
3. 细胞骨架：F-actin面积在24 h减少40%(p<0.01)；
4. 细胞凋亡：PI染色显示晚期凋亡率增加2.3倍。
   

结论与意义
该研究首次通过多组学整合揭示了AgNPs毒性作用的级联反应：从基因表达扰动(如ADCY4下调影响cAMP信号)→代谢紊乱(黄嘌呤积累引发氧化应激)→细胞功能损害(能量代谢障碍、骨架解体)→最终导致凋亡。这一发现为精准评估AgNPs在创面敷料中的应用风险提供了分子标志物(如SPHK1/PLD2)，同时提示通过调控嘌呤代谢或鞘脂通路可能减轻其毒性。研究建立的"基因-代谢物-表型"分析框架，也为其他纳米材料的毒性机制研究提供了范式。

需注意的是，AgNPs在感染性伤口中虽能抑制细菌，但对清洁伤口可能延缓愈合。因此临床应根据伤口类型权衡利弊，未来可针对已鉴定的关键靶点开发毒性更低的AgNPs改性产品。