WI-38人类肺成纤维细胞对植物暴露的金属纳米颗粒残留物的细胞学与转录组学反应

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Cytological and Transcriptomic Responses of WI-38 Human Lung Fibroblasts to Plant-Exposed Metal Nanoparticle Residues

　　

摘要

在人类接触环境中，基于金属的纳米粒子越来越常见，但残留量暴露与细胞危害之间的关联仍不明确。本研究中，将铁、铜和银纳米粒子施用于辣椒植株，以测定可食用果实中的金属纳米粒子残留量。随后确定了与暴露相关的浓度范围，并通过细胞学和转录组学方法在正常人WI-38成纤维细胞中进行了检测。与果实相比，植物的营养组织中金属积累更多，其中铁的浓度不超过10.6毫克/千克，铜不超过2.4毫克/千克，银不超过0.1毫克/千克。经过24小时暴露后的体外细胞毒性分析显示了不同物质特有的剂量-反应关系，铁纳米粒子的IC₅₀值为15.2 ppm，铜纳米粒子为0.32 ppm，银纳米粒子为6.7 ppm。在IC₅₀浓度下暴露会导致可测量的细胞学变化，包括细胞凋亡率上升（高达11.9%）以及细胞在G_{0/G1阶段的积累。RNA测序显示，联合纳米粒子暴露会引发特定的转录反应，与炎症信号传导（TNF、NF-κB、IL-17）、细胞因子与细胞因子受体相互作用、金属及氧化应激处理（矿物质吸收、铁死亡）以及与压力相关的重塑途径相关的基因表达增加。基于这些显著的基因通路，通过靶向RT-qPCR验证发现了纳米粒子特有的基因调控机制，例如铜纳米粒子暴露后TNF基因的表达显著上升（7.06倍），与膜应力相关的< />2基因也上升了8.63倍，而银纳米粒子则使< />2基因表达上升4.98倍。这些结果凸显了低残留量与细胞危害之间的差异，强调了累积暴露的影响、敏感的检测指标，以及将残留分析与人源细胞机制评估相结合在风险评价中的重要性。}

内容片段

引言

由于在多个领域中的应用日益广泛，包括可能将纳米粒子残留引入食物链的植物相关应用，基于金属的纳米粒子在人类接触环境中越来越常见。这类材料因其能够提高营养物质的输送效率并减少传统配方带来的损失而被广泛研究1, 2。有研究表明，纳米技术赋能的配方能够提升营养物质的吸收效率并实现精准输送

纳米粒子的来源

高纯度氧化铁（Fe₃O₄）纳米粒子（Fe₃O₄ NPs）、氧化铜（CuO）纳米粒子（CuO NPs）以及银纳米粒子（AgNPs）均购自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich公司，然后在埃及开罗的纳米技术与先进材料中心实验室进行制备。这些纳米粒子悬浮液是在双蒸馏水中新鲜配制的，并通过超声处理来降低粒子聚集现象（超声技术，22 kHz，20 - 30分钟）。所需浓度的实验用溶液也是新鲜配制的

铁、铜和银纳米粒子的物理化学特性

通过动态光散射、ζ电位分析以及X射线衍射等技术，对铁、铜和银纳米粒子的物理化学性质进行了分析（见表1；图1）。基于数量分布的粒子大小分析显示，不同类型的纳米粒子之间存在明显差异。Fe₃O₄纳米粒子中，平均直径为105.7纳米的粒子占绝大多数，占比达98.1%，同时还存在少量尺寸较大的粒子

讨论

本研究结合细胞学、转录组学以及与暴露相关的评估方法，对植物相关残留背景下人类细胞对金属纳米粒子暴露的反应进行了综合分析。通过区分细胞本身的危害与实际暴露水平，这项研究有助于更深入地理解与人类健康相关的金属纳米粒子安全性问题。

WI-38人成纤维细胞在体外暴露于铁、铜和银纳米粒子后的反应

结论

本研究结果表明，虽然铁、铜和银纳米粒子在直接暴露条件下会在人体细胞中引发不同的细胞毒性和分子反应，但在当前实验条件下，可食用辣椒果实中的残留量低于其在体外产生细胞毒性效应的浓度。在实际暴露场景中，包括吸收、分布、代谢和转化在内的生物过程可能会进一步影响这些纳米粒子的作用

CRediT作者贡献说明

Maysa Mobasher： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿，结果验证，研究监督，资源提供，项目管理，实验开展，资金筹集，数据整理，概念构思。Shaza Abd El-Moneim： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿，结果验证，软件使用，资源提供，实验方法设计，资金筹集，数据正式分析，数据整理。Yosur Gamal Fiteha： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿，结果可视化，结果验证，资源提供，实验方法设计

未引用参考文献

24, 25, 26; [47]。

数据可用性

本文中用于支撑结论的所有数据均包含在正文及/或补充材料中。

利益冲突

作者声明不存在与本文相关的任何利益冲突。

伦理审批

本文未涉及作者开展的任何需要人类参与或以动物为实验对象的研究。

生成式AI声明

ChatGPT（OpenAI）仅被用于优化和提升手稿的语言表达。所有科学观点和解读均为作者独立提出。

资金支持

本研究得到了朱夫大学研究生院与科学研究处的资助，资助编号为(DGSSR-2024-01-01187)。

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

Maysa A. Mobasher|Shaza D. Abd El-Moneim|Yosur Gamal Fiteha

沙特阿拉伯萨卡卡72388，朱夫大学医学院生物化学系病理学部门