TiO2颗粒超负荷诱导大鼠肺泡巨噬细胞转录组特征：P25与两种颜料级颗粒的体外比较研究

本研究针对TiO2颗粒（包括纳米级P25和颜料级G3-1/Bayertitan T）在肺泡巨噬细胞（AM）中引发的超负荷反应，通过高通量测序技术揭示了18基因特征标记的普适性。研究发现，尽管不同晶型（80%锐钛矿/20%金红石的P25 vs. 100%金红石的颜料级颗粒）在相同体积剂量下激活相似通路，但P25的炎症反应强度显著更高，提示颜料级颗粒需极高暴露剂量才可能引发类似毒性。该成果为评估TiO2职业暴露风险提供了关键分子标志物，发表于《Archives of Toxicology》。

　　

钛白粉（TiO₂）作为全球用量最大的白色颜料，从涂料到食品添加剂无处不在。然而，其纳米形态P25在高剂量暴露时可能引发大鼠肺部炎症甚至癌症，这一现象被归因于"肺超负荷"——当巨噬细胞吞噬颗粒体积超过细胞容积6%时，清除能力崩溃导致持续炎症。尽管国际癌症研究机构（IARC）将TiO₂列为2B类致癌物，但争议始终存在：颜料级TiO₂（占实际应用的90%）是否与P25具有相同风险？这个问题直接关系到数百万从业者的安全评估。

为解答这一关键问题，Laeticia Perez团队设计了一项精巧的体外实验。研究人员选取三种TiO₂颗粒：光催化型P25（80%锐钛矿/20%金红石）和两种颜料级颗粒（G3-1与Bayertitan T，均为100%金红石）。通过激光衍射和离心法测定颗粒在培养基中的团聚状态与有效密度后，将原代大鼠肺泡巨噬细胞分别暴露于非超负荷（P25:4μg/mL；颜料级:2μg/mL）和超负荷剂量（P25:40μg/mL；颜料级:20μg/mL）4天。采用WST-1法评估细胞毒性，共聚焦显微镜量化细胞内颗粒体积占比，最终通过两次独立实验的RNA-seq数据（每次3个技术重复）比较转录组差异。

颗粒特性与剂量选择

三种TiO₂纯度均超过99.5%，但P25比表面积（SSA）是颜料级的8倍。尽管P25原生粒径为纳米级，但在培养基中团聚后的尺寸（1-2μm）与颜料级相当，模拟了实际吸入状态。通过显微图像分析确认，选定剂量使细胞内颗粒体积恰好跨越6%的超负荷阈值。

差异基因表达谱

P25超负荷触发128个差异表达基因（DEG），其中38个上调、90个下调。通路分析显示这些基因富集于吞噬体形成、补体级联和T细胞活化等通路。尤为重要的是，先前发现的18基因超负荷特征（如调控糖酵解的Slc2a1/Pfkfb3和氧化磷酸化的Coq8a）在所有三种颗粒中均出现一致性调控，但颜料级的响应幅度比P25低1.6-1.7倍。这种差异可能源于锐钛矿更高的表面反应性——当换算为相同表面积剂量时，颜料级需要318μg/mL的" unrealistic"浓度才能达到P25的刺激强度。

巨噬细胞极化特征

P25超负荷诱导的基因模式与LPS刺激的M1型巨噬细胞高度相似：下调Tnxip（HIF-1α降解促进因子）同时上调Slc7a2（精氨酸转运体），推动糖酵解转换；抑制Alox5/Abcd2等基因则阻碍脂肪酸代谢。这种代谢重编程伴随CXCL2（中性粒细胞趋化因子）的显著上调，与体内观察到的炎症反应吻合。

这项研究首次证实，不同晶型TiO₂在超负荷状态下激活共同的18基因特征，但颜料级颗粒的生物学活性显著弱于P25。这一发现为风险评估提供了重要依据：日常接触的颜料级TiO₂需要达到极不现实的暴露水平才可能产生类似P25的毒性。研究同时揭示了巨噬细胞代谢重编程是颗粒超负荷的核心机制，其基因特征可作为潜在生物标志物。未来研究需验证这些标记在人体细胞中的适用性，并探索晶体结构（锐钛矿vs.金红石）与表面化学对毒性的精确贡献。