通过生物转化的视角，构建一个用于研究环境依赖性纳米毒性的三元框架

《Environment & Health》：A Triadic Framework for Context-Dependent Nanotoxicology through the Lens of Biotransformation

纳米毒理学研究揭示纳米材料在生物环境中经历化学成分、晶体结构、表面配体等多维度转化，形成蛋白层等生物膜包裹，改变细胞摄取和氧化应激反应。环境因素通过物理化学途径（如介质改变表面特性）和生理途径（如代谢调控）影响纳米-生物界面交互，需建立整合材料、生物体与环境的三元动态模型，结合实时原位监测、多组学分析和人工智能技术推动研究范式转型。

　　

纳米毒理学作为一个高度跨学科的领域，在过去二十年里深刻地改变了我们对工程纳米材料（ENMs）与生物系统相互作用的理解。该学科的核心目标是阐明ENMs对生物体和生态系统的潜在不良影响，从而在最大化其技术效益的同时建立严格的安全保障措施。(1)尽管大量的纳米毒理学研究已经产生了大量的数据，但这些知识仍然高度分散，这限制了可靠筛选策略和预测框架的发展。这种分散主要是由于材料表征和实验方案的一致性不足，以及对动态和依赖情境的生物转化过程考虑不够。

当ENMs进入生物环境后，会经历生物转化过程，这些过程最终决定了它们的命运、生物利用度和毒理学结果。(2,3)

与专注于化学结构代谢变化的经典分子毒理学不同，ENMs的生物转化涵盖了纳米-生物界面的多维变化：化学成分的改变、晶体相的变化、表面配体交换、电荷重新分布、聚集状态的变化，甚至形态重构。这些原位转化不仅改变了ENMs的本质，还主动重新定义了它们与生物实体的相互作用方式，直接调节了细胞的识别和吸收，并改变了下游的分子反应。越来越多的证据表明，这些由转化驱动的效果往往超过了原始合成材料本身的影响。

追溯该领域的知识发展轨迹，可以清晰地了解纳米毒理学的发展历程图1。在早期阶段，研究更像是一种“独白”：纳米-生物相互作用被概念化为一种单向的主体-对象关系：ENMs作为具有固定物理、化学或生物特性的活性物质，对被动的生物“受体”产生影响。研究主要集中在将ENMs的合成属性（如粒径、形态、组成、表面功能化和刚性）与观察到的毒性终点（如细胞内化效率、膜破坏和氧化应激）进行关联。虽然这种静态视角具有基础性，但由于忽视了生物系统主动重塑ENMs的能力，因此经常导致结果不充分、矛盾或无法重复。

图1

图1. 纳米毒理学的发展。(A) 早期的纳米毒理学主要将生物结果解释为工程纳米材料（ENMs）的还原论和静态效应的结果，这些效应仅由其合成的物理化学性质决定。(B) 测试生物体并非被动接受者，而是通过生化和生物物理过程主动重塑ENMs，从而启动反馈循环，不断重新配置纳米-生物相互作用。(C) 环境因素作为“第三方”，通过物理化学途径（通过环境对ENMs性质的调节）或生理途径（通过环境对生物状态的调节）介入纳米-生物相互作用。

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随后，人们对机制的理解发生了深刻转变：纳米-生物相互作用被重新定义为一种“对话”。生物实体被视为能够在纳米-生物界面化学和物理上改变ENMs的积极参与者。(4)这些转化反过来又改变了后续的相互作用路径。例如，研究表明，石墨烯氧化物的生物还原会显著改变其细胞毒性；同样，纳米-生物相互作用可以增强金属基ENMs在细胞膜或溶酶体中的溶解，从而加剧特定离子的毒性。(5,6)

这一转变标志着从静态性质-效应关联向以转化为中心的机制解释的重大转变。

然而，现实世界的暴露情景显示出比纯粹的二元相互作用模型更复杂的现实。无处不在的环境因素——从生物分子（如蛋白质、脂质）到非生物变量（如pH值、离子强度、溶解有机物和共存污染物）——并非被动背景。相反，它们作为“第三方”，动态地介入并重塑ENMs与生物实体之间的相互作用。它们的调节影响可以大致分为两个“镜像”途径：物理化学途径和生理途径。

物理化学途径侧重于环境介质对ENMs内在性质的原位修饰。(7,8)

当ENMs进入生物环境时，会迅速吸附一层生物分子（主要是蛋白质和脂质），形成结构动态且成分异质的“蛋白质冠层”。这层冠层掩盖了ENMs原始的表面化学性质，重新定义了它们的“生物身份”，从而决定了细胞的识别、内化、亚细胞运输，最终决定了毒理学结果。(7,9)因此，蛋白质冠层概念近年来已成为纳米毒理学的核心，使人们开始关注依赖情境和随时间变化的材料特性。

与此相辅的是生理途径，环境因素直接作用于生物实体，改变代谢稳态、膜流动性、氧化还原平衡和应激反应性。这些变化间接改变了生物体对ENMs的敏感性和耐受性，在联合毒性研究中尤为明显。例如，重金属或有机毒物可以通过耗尽细胞内的谷胱甘肽储备来加剧ENMs引起的氧化损伤，从而放大总体不良后果。值得注意的是，即使是传统上被认为是惰性的物质，如无机盐或氧化还原介质，在远低于其单独毒性阈值的浓度下，也能重新编程微生物的代谢，从而增加对ENMs毒性的敏感性。(6,10)

实际上，物理化学途径和生理途径很少单独作用；相反，它们共同作用，形成了ENMs、生物实体和环境因素之间的三方相互作用网络。例如，蛋白质冠层中的抗体可以引导免疫系统识别ENMs，但也可能通过调节细胞炎症级联反应触发特定病理条件的免疫反应。(11)

同样，水环境中的营养物质通过形成生态冠层改变颗粒分散性，并通过代谢重编程改变微生物的敏感性，从而影响纳米-生物相互作用。(7,12)尽管这两者紧密耦合，但在概念上区分它们对于明确识别涉及的因果机制至关重要。

在研究现实世界暴露情景下的纳米-生物相互作用时，纳入环境因素是不可或缺的，但这在变量管理和实验设计方面带来了重大挑战。为此，我们提出了一个“三元关系”框架，将ENMs、生物实体和环境因素视为三个不可分割的支柱，为理解ENMs的健康和生态影响提供了连贯的概念基础。该框架强调纳米-生物相互作用本质上是依赖情境的、特定于情景的，并且是动态发展的。因此，它需要对局部环境条件、ENMs的物理化学演变以及测试生物体的生理状态进行严格表征，这对分析方法提出了较高要求。迫切需要能够在复杂基质中实时追踪ENMs生物转化的原位传感技术。(13)需要高度敏感的光谱学、同位素成像和蛋白质冠层表征技术来从ENMs的瞬时物理化学状态重建其环境或生物历史。(14,15)必须利用先进的模型系统（如类器官和芯片上的器官平台）来真实模拟组织特定的微环境，从而进行更符合生理学的毒性评估。最后，多组学和人工智能工具对于推断依赖情境的因果网络至关重要(16,17)，从而超越了单纯的关联观察。

总体来看，纳米毒理学的认识演变可以描述为一个进步过程：从最初仅关注ENMs内在性质的“独白”，到ENMs与生物系统之间的“对话”，最终发展到整合环境背景的动态三元关系。这一轨迹不仅反映了变量复杂性的增加，还体现了哲学上的转变——从还原论和静态分析转向以系统为导向、动态和依赖情境的研究框架。只有将ENMs置于其真实且不断演变的生物环境中，才能完全阐明它们的真实环境命运和健康意义。