纳米与微米二氧化硅诱发差异性肠道损伤：丝氨酸/线粒体/mtROS通路介导的PANoptosis

《One Health Advances》：Differential intestinal injury induced by nano- and micron-silicon dioxide: serine/mitochondrial/mtROS-mediated PANoptosis

为解决食品及化妆品抗结剂二氧化硅(SiO2)潜在毒性问题，研究人员开展不同粒径（50 nm、300 nm、1 μm）SiO2诱导小鼠结肠损伤的研究，揭示其通过抑制SAT1/2减少细胞内丝氨酸(Ser)含量，下调OMA1/OPA1引发线粒体损伤和mtROS释放，最终激活RIPK1-PANoptosome介导的PANoptosis，其中300 nm对线粒体损伤最强、50 nm主导凋亡、1 μm主导氨基酸代谢、一碳代谢、坏死性凋亡和焦亡，为理解纳米材料毒性机制和PANoptosis在疾病与毒性损伤中的作用提供新视角。

　　

随着纳米技术的飞速发展，纳米二氧化硅(SiNPs)因其稳定性好、易于分散、高温下强度韧性强等特点，被广泛应用于食品添加剂、食品包装、化妆品、防晒剂乃至医疗诊断、药物递送和基因治疗等领域。然而，其潜在毒性也逐渐引起公众关注。普通人每日从食品中摄入的SiNPs可达1.8 mg/kg，这些纳米颗粒可通过呼吸道、皮肤接触、口服摄入等方式进入体内，对心脏、肺、肝脏等多个靶器官造成毒性损伤。尤其值得注意的是，肠道作为人体最大的免疫器官和主要的吸收场所，是口服暴露下纳米颗粒的首要接触部位，但其损伤机制，特别是不同粒径二氧化硅颗粒的毒性差异及其引发的复杂细胞死亡通路尚不明确。与此同时，PANoptosis作为一种由Caspase和受体相互作用蛋白(RIPs)驱动、受多蛋白PANoptosome复合体调控的高度复杂的炎症性程序性细胞死亡途径，在疾病和毒性损伤中扮演着关键角色，但其在纳米材料诱导的肠道损伤中是否及如何被激活，仍是一个待解之谜。为了回答这些问题，一篇发表在《One Health Advances》上的研究，系统探究了50 nm、300 nm和1 μm三种不同粒径二氧化硅颗粒对小鼠结肠的损伤，并深入比较了其毒性差异。

为开展研究，作者运用了多个关键技术方法。研究首先建立了体内小鼠模型，将小鼠分为对照组、50 nm、300 nm和1 μm二氧化硅灌胃暴露组。同时，建立了体外小鼠结肠上皮细胞(MCEC)模型，通过CCK-8法确定了细胞半数抑制浓度(IC₅₀)并选择了60 μg/mL作为暴露浓度。在技术层面，研究综合利用了组织病理学染色（H&E染色）、透射电子显微镜(TEM)观察超微结构、转录组学测序与生物信息学分析、氨基酸靶向代谢组学检测、免疫荧光(IF)染色、蛋白质免疫印迹(Western blot)、实时荧光定量PCR(RT-qPCR)、流式细胞术、以及线粒体钙离子(Mag-Fluo-4)和线粒体活性氧(MitoSOX)荧光探针检测等多种技术，从组织、细胞、分子等多层次揭示了毒性机制。

研究结果

1. 结肠损伤和细胞模型的建立

组织形态学观察显示，三种粒径的SiO₂暴露均导致小鼠结肠结构损伤，包括肠绒毛出现空泡、肠上皮细胞核溶解、边缘化及炎症浸润。透射电镜进一步揭示了线粒体皱缩、嵴消失等超微结构改变，提示存在凋亡和焦亡特征。细胞实验表明，50 nm SiO₂对MCEC的细胞毒性最强，其IC₅₀值远低于300 nm和1 μm组。

2. 对结肠转录组学的影响

转录组分析发现，不同粒径SiO₂暴露均能引起大量差异表达基因。基因集富集分析(GSEA)表明，三种粒径均能诱导凋亡、坏死性凋亡和焦亡相关通路富集。此外，50 nm组特异性富集了一碳代谢、氨基酸跨膜转运等通路；300 nm组富集了线粒体形态发生、细胞命运决定等通路；1 μm组则富集了甲基化、趋化因子活性等通路。

3. 对氨基酸代谢和一碳代谢的破坏

氨基酸代谢组学检测发现，SiO₂暴露显著降低了结肠中丝氨酸(Ser)、精氨酸、蛋氨酸等多种氨基酸的含量。进一步的机制研究表明，SiO₂主要通过抑制精脒/精胺N1-乙酰转移酶1/2 (SAT1/2)来减少细胞对丝氨酸的摄取，从而影响线粒体一碳代谢水平。关键酶MTHFR、DHFR、CBS的表达也受到抑制，且1 μm粒径的抑制效应最为显著。

4. 诱导线粒体损伤

研究发现，SiO₂暴露下调了线粒体膜相关基因重叠m-复合物活性1 (OMA1)及其靶基因视神经萎缩蛋白1 (OPA1)的表达，其中300 nm组的下调最为明显。这导致了线粒体融合/分裂失衡（融合基因Mfn1/2下调，分裂基因Mff/Fis1/Drp1上调）。同时，SiO₂暴露诱导线粒体钙离子(Ca²⁺)内流和线粒体活性氧(mtROS)的释放，300 nm组诱发的mtROS水平最高。

5. 对RIPK1-PANoptosome的影响

免疫荧光和蛋白印迹结果证实，三种粒径的SiO₂暴露均能激活RIPK1-PANoptosome，表现为RIPK1、NLRP3、ASC、Caspase-1、Caspase-8、RIPK3、FADD等关键蛋白的表达上调。加入mtROS抑制剂Mito-TEMPO后，RIPK1的激活被抑制，表明mtROS是激活RIPK1-PANoptosome的上游信号。

6. 对PANoptosis的诱导

最终，研究证实SiO₂暴露激活了PANoptosis，即同时诱发了凋亡、坏死性凋亡和焦亡。TUNEL染色、Annexin V/PI流式分析和Caspase-3表达显示，50 nm SiO₂诱导的凋亡最为显著。而GSDMD（焦亡标志物）和MLKL（坏死性凋亡标志物）的表达则在1 μm组中达到峰值，表明较大粒径更倾向于引发炎症性的程序性死亡。

研究结论与意义

本研究的结论清晰指出，不同粒径（50 nm、300 nm、1 μm）的二氧化硅暴露可通过丝氨酸/线粒体/mtROS通路，诱导RIPK1-PANoptosome介导的PANoptosis，从而造成小鼠结肠损伤。其中，毒性效应具有粒径依赖性：300 nm粒径对线粒体损伤和mtROS释放的影响最强；50 nm粒径最显著地诱导细胞凋亡；而1 μm粒径则在破坏氨基酸代谢、一碳代谢以及诱发坏死性凋亡和焦亡方面作用最为突出。

这项研究具有重要意义。首先，它系统阐明了食品和化妆品中广泛使用的二氧化硅其纳米和微米颗粒的肠道毒性机制，将研究视角从传统的单一死亡模式拓展到PANoptosis这一复杂的交互网络，为全面评估纳米材料的安全性提供了新范式。其次，研究揭示了粒径是影响二氧化硅毒性类型和强度的关键因素，这为未来纳米材料的理性设计和风险管控提供了直接的科学依据。例如，研究指出50 nm颗粒因更易被细胞内存吞而产生最强细胞毒性，而更大颗粒则可能通过不同机制引发炎症反应。最后，该研究不仅深化了对PANoptosis在毒性损伤中作用的理解，也为探讨以PANoptosis为靶点治疗相关炎症性疾病和纳米毒理损伤提供了新的理论线索和潜在干预策略。