氧化锌纳米线通过巨噬细胞中大量释放Zn2?而加剧细菌性肺部感染

《Journal of Environmental Sciences》：ZnO nanowires exacerbate bacterial lung infection by dramatically releasing Zn2+ in macrophages

　　

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  氧化锌纳米线在非致死剂量下抑制巨噬细胞对细菌的吞噬作用。
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  胞质中Zn²⁺引起脂质过氧化并降低膜流动性。
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  无标记成像追踪氧化锌纳米材料在细胞内的不同命运。
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  细胞分布决定氧化锌纳米颗粒和纳米线的Zn²⁺释放。
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  氧化锌纳米线加剧肺部继发性细菌感染。

引言

随着纳米技术在催化、电子和纺织等领域快速扩展，人体呼吸系统日益暴露于各种形态的纳米材料，包括纳米颗粒（NPs）和纳米线（NWs）（Astruc, 2020; Katiyar等, 2024; Liu等, 2024）。在纳米功能产品的生产和日常使用过程中，这些纳米颗粒和纳米线可深入渗透至肺泡区域，沉积于肺部，并造成肺损伤（Berthing等, 2023; Song等, 2009; Visani de Luna等, 2023）。纳米颗粒由于其高比表面积，容易在细胞内引发氧化应激反应（Wang等, 2020）。具有长径比的纳米线可能导致吞噬受阻，进而引发慢性炎症甚至肺纤维化（Li等, 2024; Qi等, 2024）。了解纳米材料的形态依赖性生物学效应是其安全监管和可持续应用的前提。

巨噬细胞作为抵御吸入外来物质的第一道防线，在维持肺稳态中起着关键作用（Kopf等, 2014; Murray和Wynn, 2011）。肺泡巨噬细胞不断在肺泡之间巡逻，同步高效地执行对入侵细菌和吸入物质的识别、内吞和溶酶体降解（Neupane等, 2020）。先前的研究表明，高剂量纳米材料暴露会严重损害巨噬细胞功能（Stobernack等, 2025; Tyner等, 2015）。一旦内化，纳米材料可诱导活性氧（ROS）的过度产生，触发促炎细胞因子的释放，导致溶酶体不稳定，最终引起细胞死亡。此外，纳米颗粒（如二氧化钛和二氧化硅纳米颗粒）通过线粒体损伤显著削弱巨噬细胞的吞噬能力（Chen等, 2018; Tavares等, 2025）。类似地，氧化铜和氧化锌纳米颗粒可通过诱导巨噬细胞功能障碍损害肺部细菌清除能力（Kim等, 2011; Lin等, 2014）。然而，结构不同的纳米材料，尤其是纳米线，对巨噬细胞清除细菌这一生物学过程的具体影响仍不明确。因此，迫切需要探索不同形态的纳米材料在低剂量下对巨噬细胞杀菌过程的影响。

氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）和氧化锌纳米线（ZnONWs）均被大规模生产用于各种商业应用。ZnONPs常被添加到防晒霜、化妆品、食品添加剂和医用材料等日常消费品中（Lebaka等, 2025; Singh等, 2020），而ZnONWs则越来越多地用于先进纳米传感器、纳米转换器、光催化剂和纳米发电机（Brasiunas等, 2024; Consonni, 2023）。鉴于这些纳米材料在制造和产品使用过程中进入人类肺部的高可能性，本研究选取ZnONPs和ZnONWs作为代表，研究不同形态的纳米材料如何影响巨噬细胞的细菌清除过程。利用散射光成像（SLI），我们在单颗粒水平上全面追踪了ZnONPs和ZnONWs从内吞到降解的细胞内命运。结果表明，ZnONWs更深刻地诱导ROS产生并损伤细胞膜功能，从而抑制巨噬细胞对细菌的吞噬作用。小鼠实验进一步证实，ZnONWs导致更严重的肺部细菌感染。我们的发现揭示了纳米线的健康风险，并为不同形态纳米材料的健康风险评估提供了数据支持。

章节摘要

材料与表征

Zn(NO₃)₂·6H₂O和ZnONPs购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。ZnONWs购自中科雷鸣科技有限公司（中国北京）。材料未经进一步纯化即直接使用。使用高分辨率透射电子显微镜（TEM, JEM-2100F, JEOL, 日本）和扫描电子显微镜（SEM, SU-8020, 日立, 日本）对纳米材料的形貌进行表征。样品制备方法是分散

氧化锌纳米线在非致死剂量下抑制巨噬细胞对细菌的吞噬作用

使用TEM和SEM对ZnONPs和ZnONWs进行表征（图S1）。结果显示，ZnONPs为球形颗粒，直径为54.56 ± 12.45 nm，而ZnONWs为丝状结构，直径为56.76 ± 20.80 nm，长度为5.02 ± 1.42 μm（图S2）。小鼠单核巨噬细胞J774A.1细胞分别用Zn²⁺、ZnONPs和ZnONWs处理。如图1a所示，Zn²⁺、ZnONPs和ZnONWs以剂量依赖方式降低J774A.1细胞的活力。与高细胞毒性

讨论

在本研究中，我们系统揭示了在非致死暴露剂量下，纳米材料的形态是决定其干扰巨噬细胞细菌清除功能的关键参数。我们证明了高长径比的ZnONWs更严重地损害了巨噬细胞的吞噬功能。与球形ZnONPs相比，ZnONWs导致体内更严重的继发性呼吸道感染。这一发现深刻表明，纳米暴露的核心风险

结论

总之，本研究阐明了纳米材料通过形态依赖性机制损害巨噬细胞吞噬清除功能并加剧继发性肺部感染的过程。通过结合无标记SLI与荧光探针，我们描绘了精确的纳米-生物相互作用，并解耦了纳米颗粒和纳米线的毒性范式。被摄取的ZnONPs和释放的锌离子被限制在溶酶体囊泡内，而ZnONWs则物理穿透溶酶体。广泛的

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知经济利益冲突或个人关系。

作者是该期刊的编委/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的编辑评审或发表决定。

CRediT作者贡献声明

李悦：撰写——初稿，方法论，调查，数据管理，概念化。王琼：验证，数据管理。夏红环：验证，数据管理。王凤邦：撰写——初稿，方法论，调查，数据管理，概念化。宋茂永：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取。江桂彬：撰写——审稿与编辑。

李悦|王琼|夏红环|王凤邦|宋茂永|江桂彬