摘要

納米材料的環(huán)境與健康風險評估通?；诮】祩€體模型，但現(xiàn)實中數(shù)十億人患有慢性呼吸系統(tǒng)疾病。本研究首次系統(tǒng)探究了吸入的二氧化鈰納米顆粒在“疾病活動期”對肺損傷進程的調節(jié)作用。

研究發(fā)現(xiàn)，CeO? NPs對博來霉素誘導的肺損傷具有背景依賴性的雙重效應：在疾病早期（1周），CeO? NPs暴露減輕了纖維化程度，下調了與炎癥和上皮-間質轉化相關的基因表達，表現(xiàn)出潛在的保護作用；而在疾病后期（2周）或高劑量暴露下，CeO? NPs則加劇了肺部損傷。

這一發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)“納米顆粒毒性”的簡單二元判斷，提示納米材料風險評估必須考慮暴露時機與宿主疾病狀態(tài)的交互作用。

研究背景

被忽視的現(xiàn)實

全世界有數(shù)億人患有慢性阻塞性肺病、哮喘、肺纖維化等呼吸系統(tǒng)疾病。然而，現(xiàn)行的納米材料安全性評估幾乎全部基于健康動物模型。

這種“健康假設”與真實世界存在巨大鴻溝——當已經受損的肺遭遇吸入的納米顆粒，會發(fā)生什么？二氧化鈰的雙面人生

CeO? NPs因其獨特的氧化還原催化性能，被廣泛應用于：

• 環(huán)境領域：作為柴油添加劑，減少尾氣有害排放
• 生物醫(yī)學：因其抗氧化特性，被視為治療氧化應激相關疾病的潛在藥物載體

然而，CeO? NPs也是一把“雙刃劍”。它們在環(huán)境空氣中（尤其是道路附近）被廣泛檢出，可經吸入進入肺部，長期滯留并引發(fā)炎癥和纖維化。

核心問題：當CeO? NPs進入一個已經處于疾病狀態(tài)的肺，它們是加劇損傷，還是發(fā)揮抗氧化保護作用？

研究方法

動物模型 + 人體細胞模型的“雙軌驗證”動物實驗設計

• 模型建立：雄性SD大鼠經氣管滴注博來霉素，建立肺損傷和纖維化模型
• 暴露方案：口鼻吸入CeO? NP氣溶膠（直徑~43 nm），每天3小時，每周4天，持續(xù)1或2周
• 對照設置：設對照組、單獨CeO?暴露組、單獨博來霉素組、博來霉素+CeO?聯(lián)合暴露組
• 檢測指標：支氣管肺泡灌洗液細胞學、肺組織病理學、Masson染色纖維化評估、全轉錄組測序體外驗證：氣液界面暴露模型

為在細胞水平驗證機制，研究采用AE-ALI系統(tǒng)，將3D人小氣道上皮細胞培養(yǎng)物（SmallAir™）在氣液界面暴露于CeO? NP氣溶膠（直徑~86 nm），沉積劑量與體內小氣道劑量相匹配。

技術亮點：通過MPPD模型精確計算體內小氣道沉積劑量，指導體外暴露劑量設計，實現(xiàn)體內外數(shù)據(jù)的可比性。

核心發(fā)現(xiàn)

核心發(fā)現(xiàn)一：體內實驗中CeO? NPs的“時間依賴性”調節(jié)效應1周暴露：CeO? NPs減輕博來霉素誘導的肺損傷

在博來霉素給藥后立即開始CeO? NP暴露1周，研究發(fā)現(xiàn)：

• 細胞學改變：博來霉素組BAL總細胞數(shù)和中性粒細胞顯著升高，聯(lián)合暴露組進一步升高，提示CeO? NPs可能促進炎癥細胞募集
• 病理學改善：令人驚訝的是，聯(lián)合暴露組的肺損傷評分顯著低于單獨博來霉素組，組織病理學改變減輕
• 纖維化減輕：Masson染色顯示，博來霉素組纖維化面積達15%，而聯(lián)合暴露組纖維化染色顯著減少
• 轉錄組調控：RNA測序顯示，博來霉素誘導的上皮-間質轉化相關基因（Fn1、TGFβ-3、Col12a1）上調，在聯(lián)合暴露組中被逆轉

關鍵通路：基因集富集分析提示，CeO? NPs可能通過抑制EMT過程減輕纖維化進展。2周暴露：CeO? NPs的“反轉讓效應”

當暴露延長至2周，情況發(fā)生逆轉：

• 博來霉素本身在14天時的毒性效應已部分消退（符合博來霉素損傷的自限性特征）
• 但在博來霉素+CeO?聯(lián)合暴露組，纖維化染色顯著增加，且分布更均勻
• 轉錄組分析顯示，此時主要激活的是炎癥和免疫細胞通路

解讀：CeO? NPs對已建立的纖維化組織可能主要表現(xiàn)為其固有的促纖維化效應，而非調節(jié)博來霉素誘導的過程。

核心發(fā)現(xiàn)二：體外模型驗證——細胞水平的“劑量依賴性”反應

在AE-ALI暴露的SmallAir™細胞模型中：

• 細胞毒性：CeO? NP暴露劑量依賴性地增加LDH釋放
• 基因表達：

體外發(fā)現(xiàn)的意義：部分驗證了體內觀察到的CeO? NPs對博來霉素誘導反應的調節(jié)作用，但也暴露出體外模型的局限性——無法完全復現(xiàn)體內復雜的多細胞相互作用和長期病理進程。

機制探討

CeO? NPs如何發(fā)揮“雙面”效應？氧化還原活性的兩面性

CeO? NPs表面存在Ce3?/Ce??的動態(tài)轉換，使其既能清除自由基（抗氧化），也能產生活性氧（促氧化）。這種“氧化還原開關”特性，使其作用高度依賴于局部微環(huán)境。EMT通路的調控

本研究中，1周暴露組CeO? NPs顯著逆轉了博來霉素誘導的EMT相關基因上調。EMT是組織纖維化的關鍵啟動步驟，抑制EMT可能是CeO? NPs早期保護效應的核心機制。時間窗口的關鍵性

博來霉素誘導的肺損傷呈現(xiàn)急性炎癥期（7天）→纖維化期（14天+） 的動態(tài)演變。CeO? NPs在炎癥期介入可能通過抗氧化、抗炎機制減輕后續(xù)纖維化；而在纖維化期介入，則可能因其顆粒本身的促纖維化特性而疊加損傷。

研究啟示

對納米毒理學的啟示

“納米材料的安全性不是一個固定屬性，而是暴露情境的函數(shù)?！?/blockquote>

本研究清晰表明，在健康模型中評估為“有毒”的納米材料，在疾病模型中可能表現(xiàn)出保護作用；反之亦然。未來的危害評估必須納入：

• 宿主疾病狀態(tài)（健康 vs. 患?。?/li>
• 暴露時機（疾病早期 vs. 晚期）
• 劑量累積效應對納米醫(yī)學的啟示

CeO? NPs曾被廣泛研究作為抗氧化治療載體。本研究發(fā)現(xiàn)其在疾病早期具有保護效應，為靶向遞送抗纖維化藥物提供了新思路。但需警惕高劑量或長期暴露可能產生的反作用。對體外替代方法的啟示

本研究使用了AE-ALI系統(tǒng)將3D人小氣道上皮細胞暴露于氣溶膠，實現(xiàn)了與體內劑量的匹配。這是推動新方法學發(fā)展的重要嘗試。然而，體外模型難以模擬EMT、纖維化等需要多細胞參與的長期病理過程，未來需發(fā)展共培養(yǎng)系統(tǒng)和慢性暴露模型。

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研究設備

研究設備：暴露的技術基石

本研究的可靠性，高度依賴于可控的吸入暴露系統(tǒng)。體內暴露系統(tǒng)

研究采用口鼻吸入暴露系統(tǒng)，可實現(xiàn)：

• 氣溶膠濃度實時監(jiān)測與反饋控制
• 粒徑分布在線測量（SMPS）
• 溫度、濕度精確調節(jié)
• 長達數(shù)周的自動化暴露運行體外暴露系統(tǒng)：AE-ALI

體外部分使用的AE-ALI系統(tǒng)具備以下核心優(yōu)勢：

• 氣溶膠發(fā)生：TSI恒輸出霧化器產生穩(wěn)定CeO? NP氣溶膠
• 暴露平臺：CULTEX RFS徑向流系統(tǒng)，確保多個暴露孔間氣溶膠均一性變異系數(shù)≤5%
• 沉積效率優(yōu)化：通過靜電沉淀增強沉積，并實測沉積劑量（ICP-MS）
• 系統(tǒng)對照：嚴格評估單純空氣/水流對細胞的影響，排除系統(tǒng)干擾

正是這樣的精密設備，才使得體內外劑量匹配、機制比較成為可能。

德伯科技深耕吸入暴露領域，可為這類前沿研究提供完整的國產化解決方案，覆蓋從動物到細胞的全鏈條暴露需求。

體內暴露系統(tǒng)：德伯口鼻吸入暴露系統(tǒng)

本研究采用的口鼻吸入暴露方式，是大鼠吸入毒理研究的金標準。德伯科技自主研發(fā)的口鼻吸入暴露系統(tǒng)，具備以下核心優(yōu)勢：

• 氣溶膠穩(wěn)定性：系統(tǒng)可實時監(jiān)測并反饋控制氣溶膠濃度，確保長達數(shù)周的每日暴露中，濃度波動控制在極小范圍內，完全滿足本研究對CeO? NP氣溶膠（直徑~43 nm）長期穩(wěn)定暴露的要求
• 粒徑分布可控：集成SMPS在線粒徑監(jiān)測，實時掌握氣溶膠粒徑變化，為MPPD模型劑量計算提供精準輸入
• 多通道設計：支持同時暴露多只動物，保證組間暴露條件的一致性，變異系數(shù)低
• 自動化運行：支持每日定時自動暴露，無需人工值守，大幅提升實驗效率
• 廢氣處理：高效過濾系統(tǒng)，確保實驗安全

體外暴露系統(tǒng)：德伯細胞氣液界面暴露系統(tǒng)（ACP系列）

• ACP3/6/16系列：提供3、6、16通道的靈活配置，各通道間氣溶膠均一性變異系數(shù)≤5%，確保平行對照的可靠性
• 精準劑量控制：通過優(yōu)化氣路設計和可選配的靜電沉積模塊，可實現(xiàn)沉積劑量的精確控制，并支持通過ICP-MS等方式實測沉積量，實現(xiàn)體內外劑量匹配
• 穩(wěn)定的暴露環(huán)境：精確控制溫度（37±0.1℃）、濕度（≥95%），完美復刻人體氣道微環(huán)境
• 全自動軟件控制：支持氣密性檢測、培養(yǎng)基自動加注、實驗程序編輯、自動清洗等功能，實驗全程可追溯
• 兼容多種氣溶膠：配合Collison霧化發(fā)生器，可穩(wěn)定產生納米顆粒氣溶膠、生物氣溶膠、煙霧等多種暴露物質

完整解決方案

德伯科技致力于為吸入毒理學研究提供從氣溶膠發(fā)生、暴露控制到數(shù)據(jù)分析的全鏈條解決方案。無論是如本研究所需的納米顆粒氣溶膠，還是煙煙霧、生物氣溶膠、粉塵顆粒物，我們都能提供匹配的國產化設備與技術支持。

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結語

這項發(fā)表于《Particle and Fibre Toxicology》的研究，首次系統(tǒng)揭示了吸入的CeO? NPs在博來霉素誘導的肺損傷模型中的時間依賴性調節(jié)效應。

它提醒我們：在真實世界中，暴露于納米材料的個體可能并非“健康人”，而是帶著各種基礎疾病的脆弱人群。納米材料的安全評估，需要走出“健康模型”的舒適區(qū)，擁抱更復雜、更真實的暴露情境。

而對于致力于吸入毒理學研究的科研工作者，一臺能夠精準控制暴露條件、實現(xiàn)體內外劑量匹配的暴露系統(tǒng)，正是打開這扇復雜之門的鑰匙。

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文獻來源

Guo, C., Buckley, A., Robertson, S. et al. Modulatory effects of CeO2 nanoparticles on bleomycin-induced active pulmonary disease processes in animal and human airway epithelium models. Part Fibre Toxicol 23, 5 (2026).

標簽：細胞全煙氣暴露系統(tǒng)氣液界面細胞暴露染毒體外細胞染毒