二维 MXenes 在小鼠中的肺部效应：免疫细胞应答与造血功能紊乱

《NanoImpact》：Pulmonary effect of 2D MXenes in mice: Immune cell responses and disrupted hematopoiesis

　　

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  V2C NSs 对 THP-1 和 BEAS-2B 细胞的细胞毒性高于 Ti3C2 NSs。
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  V2C NSs 通过上调 G-csf 和 Il-6 的表达，在肺部引起持续性中性粒细胞炎症。
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  Ti3C2 NSs 暴露后的肺部炎症通过募集单核细胞并升高 Mcp-1 得以缓解。
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  V₂C NSs 引起的持续性炎症应激和髓系造血失衡增加了慢性肺损伤的风险。

引言

过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物（统称为 MXenes）构成了具有层状晶体结构的新二维（2D）纳米材料家族（Soleymaniha 等，2019）。由于具有优异的亲水性、卓越的机械强度、高的金属导电性和大的比表面积等有利特性，MXenes 已成为能源转换与存储、催化和生物医学应用等各个领域的前景广阔的候选材料（Maleki 等，2022；Murali 等，2022）。全球 MXene 市场预计将迅速扩张，从 2022 年的约 3000 万美元增长到 2029 年的超过 1.28 亿美元（Chemicals and Materials, 2024），并可能在 2033 年超过 4250 亿美元（Chemicals and Materials, 2025）。随着这一快速扩张，对职业安全和环境卫生的关注日益加强，因为 MXene 粉末和分散液的生产、处理和加工增加，引发了关于无意环境释放和潜在职业暴露的关键问题（Kuhlbusch 等，2018；Ouhajji 等，2025）。

迄今为止，Ti₃C₂ 是研究最为广泛的 MXenes 之一，在许多 体内 和 体外 研究中表现出高生物相容性（Fusco 等，2022；Yilmazer 等，2023）。然而，一些研究揭示了 Ti₃C₂ 暴露的潜在生物安全风险。例如，原代神经干细胞暴露于 25 μg/mL Ti₃C₂ 会导致细胞内吞、膜完整性受损以及与炎症和应激反应相关的基因表达改变（Wu 等，2020a）。一项 体内 小鼠研究表明，Ti₃C₂ 可以穿透肺泡上皮细胞， potentially 诱导呼吸障碍（Sui 等，2021）。相比之下，尽管其他 MXenes 可能具有更独特的性质甚至更广泛的应用，但其生物效应研究较少（Wu 等，2022）。其中，钒基 MXenes（如 V₂C）很有趣，因为钒是哺乳动物组织中天然存在的微量元素，调节代谢、血糖控制和免疫反应等各种生理过程（?cibior 等，2020；Tripathi 等，2018；Tsave 等，2016）。V₂C MXene 已显示出卓越的活性氧（ROS）清除能力，模拟超氧化物歧化酶和过氧化氢酶等多种抗氧化酶的活性，并在炎症和神经退行性疾病模型中显示出保护作用（Feng 等，2021）。然而，V₂C MXene 的生物行为似乎很复杂且高度依赖于上下文。尽管在某些癌症相关应用中其细胞毒性可忽略不计（Wu 等，2023），但据报道 V₂C 在不同的细胞系统中可能表现出促氧化活性和细胞毒性（Jastrz?bska 等，2021；Lian 等，2023），这引发了关于 V₂C 健康影响的关键不确定性。这些相互矛盾的结果突显了理解 V₂C 健康影响的关键空白，特别是在工业生产中吸入等职业暴露情景下。

肺部拥有复杂的免疫网络，涉及上皮细胞、巨噬细胞、淋巴细胞（LYs）、树突状细胞（DCs），它们协同工作以识别和消除异物（Whitsett and Alenghat, 2015）。同时，肺部能够触发应激诱导的造血，以应对有害剂对免疫系统构成的挑战（Wang 等，2023；Wang 等，2022）。许多研究报告称，纳米材料可诱导免疫毒性并干扰造血（Hofer 等，2022；Zhang 等，2025b）。随着 V₂C MXene 在工业和生物医学应用的扩展，通过吸入进行职业暴露的可能性正在增加。然而，V₂C MXene 的肺部影响仍未得到充分表征，因为现有研究主要集中在其合成、物理化学性质和功能应用上（Liu 等，2021；Wang 等，2024；Wu 等，2020b）。鉴于肺部不仅在气体交换中发挥作用，还在造血中发挥作用，研究 V₂C MXene 如何影响这些过程至关重要（Borges 等，2017）。此类工作对于预见材料特异性健康风险、指导更安全的 MXene 设计以及指导职业暴露评估具有实际意义。

在本研究中，我们调查了 2D MXene V₂C 纳米片（NSs）肺暴露后潜在的免疫毒性和造血调节效应，并以 Ti₃C₂ NSs 作为参考材料。表征了 Ti₃C₂ 和 V₂C NSs 的不同 体外 生物效应。然后，成年雄性小鼠分别通过气管内灌注暴露于剂量为 2 mg/kg 的 Ti₃C₂ 和 V₂C NSs。在暴露后 1 天和 7 天分析外周血（PB）、支气管肺泡灌洗液（BALF）、肺间质（LI）和骨髓（BM）中的免疫细胞群，以调查成熟免疫细胞的浸润和 trafficking（迁移）。此外，评估了肺部和 BM 中造血细胞的改变，以评估 MXenes 对免疫细胞生成的影响。此外，测量了肺部关键细胞因子的 mRNA 表达水平，以阐明炎症反应背后的潜在机制。总之，本研究提供了对吸入 MXenes 免疫反应的综合表征，这将有助于理解免疫系统与 MXenes 的相互作用，并为未来应用 MXenes 的生物安全评估提供理论依据。

章节摘要

MXenes 表征

Ti₃C₂ 和 V₂C NSs 购自新西科技有限公司（中国佛山）。使用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM, JEM-2100F, 日本）表征 NSs 的尺寸和形貌。在磷酸缓冲盐水（PBS, HyClone）溶液中分散后，使用 Zeta-sizer（Malvern Nano ZS, Malvern, 英国）测定 Ti₃C₂ 和 V₂C NSs 的 zeta 电位。通过在...中孵育分散液评估 Ti₃C₂ 和 V₂C NSs 的物理化学稳定性

MXenes 细胞毒性和细胞摄取评估

如图 1a 所示，Ti₃C₂ 和 V₂C NSs 表现出层状结构，侧向尺寸分别为 593 ± 174 和 354 ± 146 nm。两种材料均带负电，zeta 电位分别为 ?24.1 ± 0.2 和 ?21.8 ± 0.2 mV（图 1b）。在研究吸入 MXenes 的肺部炎症之前，通过评估细胞活力和 ROS 水平评估了新分散的 Ti₃C₂ 和 V₂C NSs 的 体外 毒性。BEAS-2B 细胞被用作支气管上皮细胞模型

讨论

工程化颗粒可以通过意外吸入环境污染物或 为了 治疗目的而故意递送引入体内（Pirela 等，2019；Zhang 等，2025c）。吸入的颗粒可以绕过粘膜屏障，通过肺泡跨细胞运输进入循环，并诱导全身炎症或器官功能障碍，特别是在屏障完整性受损的易感人群中（Li 等，2024；Zhang 等，2025a）。在本研究中，

结论

在本研究中，通过与 Ti₃C₂ NSs 的比较分析，揭示了 V₂C NSs 诱导的不同免疫和造血反应。肺暴露于 V₂C NSs 与持续性中性粒细胞炎症和造血失调有关，表明急性炎症的缓解可能存在潜在延迟，理论上可能增加慢性肺损伤的风险。相比之下，Ti₃C₂ NSs 触发了更短暂的中性粒细胞（NE）反应，随后是由单核细胞（MONO）驱动的免疫

CRediT 作者贡献声明

Gang Tang: 写作 – 初稿，方法论，调查，数据整理。Min Li: 调查，形式分析，数据整理。Jiexia Cheng: 写作 – 审查与编辑，调查。Ziniu Wang: 方法论，调查。Guangxuan Wang: 方法论，调查。Jianbo Shi: 监督，资源，调查。Jonathan W.C. Wong: 监督，资源，调查。Jie Gao: 写作 – 审查与编辑，资金获取。Dou Wang: 监督，资源，资金获取。

竞争利益声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本论文报告中工作的。

致谢

这项工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金（22325606）、国家自然科学基金委员会（22576228, 22241604, 42407390）、国家重点研发计划（2023YFA0915100）、广东省科学技术协会青年科技人才支持计划（SKXRC2025436）以及广东省引进创新团队计划（2023ZT10L060）的资助。

Gang Tang|Min Li|Jiexia Cheng|Ziniu Wang|Guangxuan Wang|Jianbo Shi|Jonathan W.C. Wong|Jie Gao|Dou Wang|Guohao Zhang|Li Zeng|Yanhua Wang|Guangbo Qu|Guibin Jiang