二氧化硅纳米颗粒蛋白冠中的补体C3促进巨噬细胞M1极化和亚急性肺纤维化重塑

《Environmental Pollution》：Complement C3 in the silica nanoparticles protein corona promotes macrophage M1 polarization and subacute pulmonary fibrotic remodeling

　　

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  补体C3是硅纳米颗粒（SiNPs）表面的关键蛋白质冠成分，在肺纤维化重塑过程中发挥作用。
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  SiNPs-C3蛋白质冠通过NLRP3/TNF-α/IL-1β通路诱导巨噬细胞M1极化，并激活成纤维细胞。
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  药物性抑制C3-Cp40可减轻巨噬细胞M1极化和肺纤维化重塑。

Introduction

二氧化硅纳米颗粒（SiNPs）具有粒径低于100纳米、高比表面积和良好分散性的特点，被广泛应用于化工、化妆品和生物医学领域（C. Guo et al., 2021; Napierska et al., 2010）。因此，它们已成为一类重要的新兴环境污染物，引发了对其潜在人体健康风险的严重担忧。SiNPs的广泛使用及其不受控制的释放对环境安全构成了重大威胁，尤其是对于职业暴露和环境暴露人群而言（Chan et al., 2017）。作为人体暴露于SiNPs的主要途径，吸入会引发肺部炎症，表现为巨噬细胞、淋巴细胞、中性粒细胞等炎症细胞的大量涌入和增殖，以及细胞因子的释放。这些事件驱动成纤维细胞增殖和胶原蛋白合成，最终导致肺纤维化（Katz et al., 2015; Keller et al., 2013; Wang et al., 2020）。巨噬细胞极化失调是肺纤维化发病的关键驱动因素（Wynn and Vannella, 2016; Zhou et al., 2024）。在肺纤维化的早期阶段，巨噬细胞响应病原体相关分子模式（PAMPs）或损伤相关分子模式（DAMPs）向M1表型极化，分泌细胞因子和趋化因子，招募免疫细胞并启动炎症反应（Greene et al., 2022; Martinez et al., 2008）。随着肺组织损伤加剧，这些炎症介质直接刺激成纤维细胞增殖、迁移和分化为肌成纤维细胞，并促进上皮-间质转化（EMT），导致细胞外基质（ECM）过度沉积和纤维化（Cheng et al., 2025, 2024; Lamouille et al., 2014）。因此，M1巨噬细胞在SiNPs诱导的肺纤维化起始过程中发挥着关键作用，现有证据已证实SiNPs可诱导巨噬细胞M1极化（Ge et al., 2024; Qin et al., 2024）。然而，调控这一极化的潜在分子机制仍需进一步阐明。

纳米材料具有高比表面积、高表面能以及疏水性或亲水性表面官能团。当它们进入生物系统时，会通过静电作用、疏水作用、氢键和化学作用快速吸附蛋白分子，形成纳米颗粒-蛋白冠（Cedervall et al., 2007; Kopac, 2021; Kurtz-Chalot et al., 2017; Ni et al., 2023; Cui et al., 2024）。通过呼吸道进入肺部的纳米材料所形成的蛋白冠主要由肺表面活性蛋白（SP-A、SP-D）、黏蛋白、分泌型免疫球蛋白A（sIgA）、补体成分3（C3）、白蛋白以及一系列免疫相关蛋白组成，并表现出对肺部微环境的显著特异性（Konduru et al., 2017; Kumar et al., 2016; Raesch et al., 2015）。蛋白冠的形成从根本上改变了纳米材料的表面特性，对细胞结构和功能产生深远影响（Cai et al., 2022）。此外，新兴证据表明，纳米颗粒-蛋白冠可激活巨噬细胞表面的模式识别受体（PRRs），触发下游信号级联反应，从而决定巨噬细胞的极化方向（Sacchetti et al., 2013）。由石墨炔氧化物与信号转导与转录激活因子3（STAT3）形成的蛋白冠可增强STAT3的核转位，激活靶基因。这一过程使肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）由促肿瘤的M2表型重编程为抗肿瘤的M1表型，从而缓解免疫抑制性肿瘤微环境（M. Guo et al., 2021）。此外，补体C3a是补体级联反应的核心成分，越来越被认为是炎症和纤维化重塑的关键调节因子，并且经常在纳米颗粒蛋白冠中富集（Dutta et al., 2022; Qiu et al., 2026）。其吸附可调节免疫细胞识别和炎症信号，提示SiNPs冠内的C3可能影响巨噬细胞活化并促进纤维化进展（Wen et al., 2026）。鉴于纳米颗粒蛋白冠在调控巨噬细胞极化中的关键作用，以及SiNPs诱导肺纤维化小鼠模型中肺巨噬细胞M1极化的实验证据（Bao et al., 2025; Yang et al., 2021），我们假设SiNPs表面形成的蛋白冠可促进巨噬细胞M1极化，从而加剧肺纤维化的发病机制。然而，纳米材料具有不同的物理化学特性，包括化学组成、尺寸、表面电荷和亲水/疏水性，这导致它们在相同生物液体中形成的蛋白冠在组成和丰度上存在差异（Bilardo et al., 2022）。SiNPs表面形成的蛋白冠是否会诱导巨噬细胞M1极化、哪些冠内蛋白成分作为免疫活性介质发挥作用，以及激活了哪些促纤维化信号级联反应，目前仍未完全阐明。

本研究采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）鉴定SiNPs蛋白冠中调控巨噬细胞M1极化的特异性蛋白成分。我们建立了体外巨噬细胞-成纤维细胞共培养模型，以阐明这些成分在SiNPs诱导的亚急性肺纤维化中调控M1巨噬细胞极化的关键作用和分子机制。基于鉴定出的蛋白成分，将构建SiNPs诱导亚急性肺纤维化的小鼠干预模型，旨在界定该特异性蛋白冠成分对肺纤维化的免疫毒性影响。最终，本研究旨在全面揭示SiNPs诱导亚急性肺纤维化的免疫学机制，并鉴定关键靶点，为开发免疫调节干预措施提供新的见解和理论基础。

Section snippets

Characterization of SiNPs and SiNPs protein corona

使用日本电子公司（东京）生产的JEM-1010透射电子显微镜在80千伏的加速电压下进行透射电子显微镜分析。将裸SiNPs和体外制备的SiNPs蛋白冠悬浮液滴加到具有超薄碳支持膜的铜网上。经1分钟静态孵育后，用滤纸轻轻吸去多余液体，再进行负染和热风干燥。拍摄代表性图像以比较

SiNPs exposure induced respiratory dysfunction and subacute pulmonary fibrotic remodeling in mice

TEM分析显示，SiNPs呈球形形态，无明显聚集，表明在水相中具有良好的分散稳定性（图1A1）。粒径分布呈正态分布，平均直径为20.47 ± 2.32 nm（图1A2）。动态光散射（DLS）在超纯水中测得的水动力学直径为23.11 ± 4.28 nm，多分散指数（PDI）为0.285 ± 0.013，Zeta电位为-27.1 ± 3.32 mV（图1A3和A4）。

Discussion

SiNPs在肺部沉积后，通过吸附组织液成分形成蛋白冠，赋予其免疫原性。该蛋白冠启动并调节免疫反应，从而促进亚急性肺纤维化进展（Wang et al., 2017）。利用LC-MS/MS蛋白质组学，我们鉴定出补体C3是调控巨噬细胞M1极化的关键蛋白冠成分。通过体外巨噬细胞-成纤维细胞共培养体系，我们证明SiNPs诱导的亚急性

Conclusion

本研究确立肺组织液中SiNPs蛋白冠特异性富集补体C3。补体C3的激活随后促进NLRP3/TNF-α/IL-1β信号轴，驱动巨噬细胞M1极化。活化的M1巨噬细胞刺激成纤维细胞活化，最终导致胶原蛋白异常沉积，引起肺部亚急性炎症相关纤维化重塑。值得注意的是，靶向抑制补体C3显著减轻巨噬细胞M1

CRediT authorship contribution statement

Fang Wang（王芳）：调查。Shujie Lv（吕淑杰）：调查。Qingping Liu（刘青平）：方法学。Cunhui Zhang（张存辉）：撰写初稿、调查。Ze Yang（杨泽）：可视化。Hao Liu（刘昊）：撰写初稿、数据管理。Yaxian Pang（庞雅仙）：方法学。Juan Wang（王娟）：形式分析、概念化。Linpeng Niu（牛林鹏）：形式分析。Rong Zhang（张蓉）：审阅与编辑、监督。Lei Bao（包磊）：审阅与编辑、监督、方法学、研究资助获取、概念化。Yan Liu（刘燕）：验证、形式

Uncited reference

Guo et al., 2021.

Ethics declaration

本研究按照ARRIVE（Animal Research: Reporting of In Vivo Experiments，动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究经河北医科大学动物伦理与护理委员会批准（批准编号：IACUC-Hebmu-20170163）。

Ethical statement

所有动物实验均按照河北医科大学动物伦理委员会的伦理指南进行（批准编号：IACUC-Hebmu-20170163）。

Data availability

本研究的数据可在合理请求下向通讯作者获取。

Declaration of Competing Interest

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知名利冲突或个人关系。

Acknowledgements

本工作得到国家自然科学基金委员会（82204074）、河北省自然科学基金（H2026206708）、教育部神经与血管生物学重点实验室（NV20250009）的资助。

Cunhui Zhang|Hao Liu|Juan Wang|Linpeng Niu|Yan Liu|Zihan Geng|Liyi He|Lili Shi|Zhaohui Hu|Fang Wang|Shujie Lv|Qingping Liu|Ze Yang|Yaxian Pang|Rong Zhang|Lei Bao|Yujie Niu