納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的研究進(jìn)展

賈 健，李艷博，郭彩霞（首都醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，北京100069）

納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的研究進(jìn)展

賈 健，李艷博，郭彩霞
（首都醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，北京100069）

隨著納米材料在生物醫(yī)藥、材料化工等眾多領(lǐng)域日益廣泛的應(yīng)用，納米材料環(huán)境暴露及其引發(fā)的細(xì)胞毒性效應(yīng)受到了研究人員的高度關(guān)注，成為納米毒理和納米醫(yī)藥研究領(lǐng)域中一個新的研究方向。納米材料的毒性作用研究不僅為納米材料的安全性評價提供了理論依據(jù)，而且有助于進(jìn)一步擴(kuò)展納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。本文重點闡述納米材料在細(xì)胞自噬、凋亡和壞死中的作用，并探討納米材料誘導(dǎo)不同細(xì)胞死亡方式的可能機(jī)制，為納米材料的毒性研究和安全性評價提供參考。

納米材料；細(xì)胞死亡；細(xì)胞凋亡；自噬；壞死

DOl：10.3867/j.issn.1000-3002.2016.04.018

納米材料由尺寸在1～100 nm之間的納米粒子組成。通常將三維都在納米尺度的納米材料稱為納米顆粒。憑借尺寸小、比表面積大、吸附能力強(qiáng)和化學(xué)反應(yīng)活性高等理化性質(zhì)，納米材料被廣泛應(yīng)用于生物傳感、醫(yī)療診斷、造影成像、藥物運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。大量研究表明，多種納米材料具有細(xì)胞毒作用，可誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。一般來說，納米材料進(jìn)入細(xì)胞需要先穿越細(xì)胞膜，通過被動擴(kuò)散或內(nèi)吞作用，在細(xì)胞中釋放、擴(kuò)散并分布在細(xì)胞質(zhì)或多種細(xì)胞器中［1］。在此過程中，納米材料可能會生成活性氧（reactive oxygen species，ROS）導(dǎo)致氧化應(yīng)激，聚團(tuán)沉淀，或形成相應(yīng)的離子（如金屬氧化物）破壞細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)，并與生物大分子及其他分子相互作用，影響細(xì)胞正常功能，造成毒性損傷，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。本文按照細(xì)胞死亡結(jié)局的類型，對納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的方式及其可能的分子機(jī)制進(jìn)行綜述。

1　納米材料與細(xì)胞自噬

細(xì)胞自噬是在細(xì)胞質(zhì)中形成的雙層或多層膜結(jié)構(gòu)的自噬小體通過和溶酶體融合對包裹的內(nèi)容物進(jìn)行降解的過程，是細(xì)胞程序性死亡的執(zhí)行方式之一，主要有3種形式：大自噬、小自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。自噬在某些情況下會保護(hù)細(xì)胞，但在另一些情況下會引起細(xì)胞損傷，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生自噬性細(xì)胞死亡［2］。近來，從細(xì)胞自噬角度，探討納米材料可否用于控制某些惡性腫瘤、神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展或作為疾病治療干預(yù)策略，受到了廣大學(xué)者的關(guān)注。已有研究表明，有的納米材料可選擇性誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生自噬；C60富勒烯-己酮可可堿復(fù)合納米材料能通過增強(qiáng)自噬效應(yīng)消除β-淀粉樣多肽引發(fā)的細(xì)胞毒性［3］。不過，納米材料在正常細(xì)胞中引發(fā)的自噬可能產(chǎn)生細(xì)胞毒性，需要加以規(guī)避。

1.1金屬納米材料與細(xì)胞自噬

絕大多數(shù)金屬納米材料引起的細(xì)胞自噬是促進(jìn)細(xì)胞死亡，如納米金能誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，同時細(xì)胞發(fā)生氧化損傷，細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物以及抗氧化和氧化應(yīng)激相關(guān)因子表達(dá)量顯著升高［4］；但某些情況下，納米材料引起的自噬促進(jìn)細(xì)胞存活，自噬可能是細(xì)胞的一個自我防御機(jī)制。有研究發(fā)現(xiàn)，阻斷納米銀誘導(dǎo)的自噬體形成，可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［5］，且阻礙線粒體自噬會引起損傷線粒體的聚集，細(xì)胞能量代謝受影響［6］。納米金能誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，且其誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)自噬體的積累或自噬相關(guān)蛋白微管相關(guān)蛋白輕鏈3（microtubule-associated protein light chain 3，LC3）Ⅱ表達(dá)量的升高是由于自噬流阻斷引起的［7］。溶酶體的功能紊亂可能與自噬流的阻斷有聯(lián)系。被細(xì)胞吞噬的納米金最終積聚在溶酶體內(nèi)，使其堿化從而破壞其降解能力。還有研究發(fā)現(xiàn)，納米金可通過ROS抑制磷脂酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3K）/蛋白激酶B （protein kinase B，又名Akt）/哺乳動物西羅莫司（雷帕霉素）靶蛋白〔mammalian target of sirolimus （Rapamycin），mTOR〕信號通路，誘導(dǎo)低氧處理的人近端腎小管上皮細(xì)胞HK-2發(fā)生自噬性死亡，但正常HK-2細(xì)胞可通過自噬體的形成而免受納米金的毒性［8］，提示在使用納米顆粒進(jìn)行生物醫(yī)藥相關(guān)的研究及應(yīng)用中必須要考慮到細(xì)胞狀態(tài)。

1.2納米氧化物與細(xì)胞自噬

稀土金屬氧化物被認(rèn)為是自噬誘導(dǎo)劑［9］，同樣普通常見的氧化物納米材料也能在一定程度上引起自噬的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋅（zinc oxide，ZnO）納米顆粒的毒性由Zn2+的釋放所介導(dǎo)，自噬是其誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的主要方式之一［10-11］。體內(nèi)外研究表明，ZnO納米顆粒表面釋放的Zn2+可引起胞內(nèi)ROS大量升高，上調(diào)自噬相關(guān)蛋白LC3Ⅰ、LC3Ⅱ和自噬蛋白5（autophagy protein 5，Atg-5），促進(jìn)自噬體形成而誘導(dǎo)死亡并呈劑量依賴性加重［12］。而阻斷細(xì)胞攝取Zn2+或提供抗氧化劑或自噬特異性抑制劑3-甲基腺嘌呤（3-methyladenine，3-MA）可抑制ZnO納米顆粒誘導(dǎo)的自噬［13］。

除ZnO納米顆粒外，包括氧化鐵（iron oxide，F(xiàn)e2O3）、四氧化三鐵（ferroferric oxide，F(xiàn)e3O4）、氧化銅（copper oxide，CuO）、氧化鋁（aluminum oxide，Al2O3）、二氧化硅（silica dioxide，SiO2）以及二氧化鈦（titanium oxide，TiO2）等在內(nèi)的多種納米氧化物均可誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，如：Fe3O4納米顆粒可通過增加Beclin 1和Atg14并降低Bcl-2的含量促進(jìn)自噬起始復(fù)合物的形成，呈時間濃度依賴性增加LC3Ⅱ并減少P62，引發(fā)血細(xì)胞自噬［14］。不過，不同氧化物納米顆粒對細(xì)胞的毒性效應(yīng)及誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的能力不同。有研究評估了CuO，SiO2，TiO2，F(xiàn)e2O3和Fe3O4納米顆粒對腫瘤細(xì)胞的毒性效應(yīng)［15］，結(jié)果只有CuO納米顆粒顯示出明顯的細(xì)胞毒性，導(dǎo)致細(xì)胞中自噬體積累、LC3Ⅱ表達(dá)升高，而加入3-MA可顯著提高細(xì)胞活力。

1.3納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的可能機(jī)制

納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬所涉及的分子機(jī)制尚處于研究階段，且不同納米材料不盡相同。Khan等［16］發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2O3納米顆粒能選擇性地通過Akt/腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphateactivated protein kinase，AMPK）/mTOR通路誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生自噬，從而顯著殺傷腫瘤細(xì)胞而對正常細(xì)胞不具有毒性效應(yīng)。新近研究顯示，血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2）相關(guān)的自噬活化通路，可能在維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和清除異物方面起重要作用。研究表明，SiO2納米顆?？赏ㄟ^VEGFR2/ PI3K/Akt/mTOR和VEGFR2/絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）/細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2（extracellular regulated pro?tein kinases，ERK1/2）/mTOR信號通路引起人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞（human umbilical vein endothelial cell，HUVEC）自噬［17-18］，還可通過氧化應(yīng)激引發(fā)人肝癌細(xì)胞HepG2出現(xiàn)細(xì)胞自噬性死亡［19］。同樣，錳納米顆粒誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS及其引起的氧化應(yīng)激和線粒體損傷相關(guān)凋亡信號對自噬的產(chǎn)生起一定的作用［20］；羧基化單壁碳納米管誘導(dǎo)人肺腺瘤細(xì)胞A549自噬體產(chǎn)生依靠的是Akt/結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合物1/2（tu?berous sclerosis complex，TSC1/2）/mTOR通路［21］。此外，細(xì)胞骨架的紊亂可影響細(xì)胞內(nèi)囊泡的轉(zhuǎn)運(yùn)，納米材料對細(xì)胞骨架的影響也可能是自噬功能紊亂和自噬體堆積的機(jī)制之一。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e2O3納米顆?？墒笻UVEC細(xì)胞中肌動蛋白和微管蛋白的骨架網(wǎng)絡(luò)排列混亂，導(dǎo)致自噬功能損傷［22］。SiO2納米顆粒也可誘導(dǎo)細(xì)胞骨架的斷裂，并伴有線粒體的去極化和自噬體的堆積［18］。

2　納米材料與細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是由基因控制的細(xì)胞主動程序性死亡，與組織發(fā)生、器官細(xì)胞穩(wěn)定的維持、免疫以及腫瘤、自身免疫性疾病和衰老等的發(fā)生密切相關(guān)。納米材料是否對細(xì)胞凋亡過程產(chǎn)生特殊的影響，是近年來納米醫(yī)學(xué)研究的重要問題之一。研究發(fā)現(xiàn)，無論是正常細(xì)胞還是腫瘤細(xì)胞，納米材料均有引發(fā)其凋亡的報道。不過，某些納米材料在一定條件可抑制細(xì)胞凋亡。有研究發(fā)現(xiàn)，單壁碳納米管在一個長達(dá)6個月的慢性暴露實驗中，表現(xiàn)出通過活化Akt/ P53/Bcl-2信號通路并下調(diào)Bax和Noxa的表達(dá)而使肺上皮細(xì)胞抵抗細(xì)胞凋亡，阻斷細(xì)胞發(fā)生惡變［23］。

2.1金屬納米材料與細(xì)胞凋亡

大量研究表明，納米銀、納米金和納米銅等金屬納米材料具有促細(xì)胞凋亡作用。納米銀可誘導(dǎo)體外培養(yǎng)的多種細(xì)胞發(fā)生凋亡，包括宮頸癌細(xì)胞、表皮角質(zhì)細(xì)胞［24］和巨噬細(xì)胞［25］等，還能誘導(dǎo)囊胚期內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和滋養(yǎng)外胚層細(xì)胞發(fā)生凋亡，進(jìn)而抑制胚胎細(xì)胞增殖［26］。體內(nèi)實驗觀察到納米銀可誘導(dǎo)瑞士白化（swiss albino）小鼠肝細(xì)胞出現(xiàn)凋亡現(xiàn)象，可能與其誘導(dǎo)DNA損傷有關(guān)［27］。納米金可造成HL-7702細(xì)胞脂質(zhì)過氧化，使細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激，降低線粒體膜電位，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［28］；也可因胞質(zhì)分裂阻滯（細(xì)胞分裂障礙）而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡［29］。納米銅通過線粒體機(jī)制引起一種石斑魚（Epinephelus coiodes）的腸上皮細(xì)胞凋亡［30］。

2.2納米氧化物與細(xì)胞凋亡

ZnO納米顆?？烧T導(dǎo)多種腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡。研究顯示，ZnO納米顆?？烧T導(dǎo)HepGⅡ細(xì)胞內(nèi)P53、Bax表達(dá)上調(diào)，Bcl-2表達(dá)下降，活化胱天蛋白酶3，造成DNA片段化，產(chǎn)生ROS引發(fā)氧化應(yīng)激［31］。Fe3O4納米顆?？烧T導(dǎo)肝細(xì)胞HL-7702發(fā)生氧化應(yīng)激、DNA損傷和細(xì)胞凋亡［32］，還可通過氧化應(yīng)激激活JNK和P53信號通路，導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞周期紊亂和凋亡［33］。CuO納米顆粒也可通過ROS大量生成誘導(dǎo)腎上皮細(xì)胞DNA損傷，最終導(dǎo)致以凋亡方式為主的細(xì)胞死亡［34］，還可通過增加胱天蛋白酶3的活性誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［35］。二巰基丁二酸包被的Fe2O3納米顆粒可引起人主動脈血管細(xì)胞中促凋亡和抑凋亡基因表達(dá)發(fā)生改變，激活氧化應(yīng)激相關(guān)基因和黏附分子表達(dá)，抑制血管生成［36］。至于非金屬氧化物納米顆粒，SiO2納米顆?？蛇M(jìn)入線粒體，激活線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡通路［37］。還有研究用SiO2包被的MnO納米顆粒處理鼠纖維細(xì)胞L929，發(fā)現(xiàn)這種混合納米顆粒首先在胞內(nèi)產(chǎn)生大量ROS，隨后使得Bax/Bcl-2比值增高，引起P53活性增加，最終引起G2/M期阻滯、胱天蛋白酶3活性增加，導(dǎo)致凋亡［38］。

2.3納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的可能機(jī)制

雖然對于納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡進(jìn)行了較多的研究，但納米材料引起細(xì)胞凋亡的原因尚無完善的理論機(jī)制。而且，納米材料可能是通過多種途徑來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，具體以哪種途徑為主，也會受到納米材料的粒徑、形狀、表面性質(zhì)和細(xì)胞類型等眾多因素的影響。

2.3.1氧化應(yīng)激途徑

近年來研究發(fā)現(xiàn)，損害抗氧化系統(tǒng)和氧化應(yīng)激是納米材料誘發(fā)凋亡的主要機(jī)制。納米材料可能通過產(chǎn)生大量的ROS引起氧化應(yīng)激。如CuO納米顆粒作用于小鼠海馬趾細(xì)胞HT22，可呈時間-濃度依賴性下調(diào)谷胱甘肽過氧化物酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶的活性以及谷胱甘肽的表達(dá)，破壞抗氧化系統(tǒng)，導(dǎo)致大量ROS聚集，引起B(yǎng)ax/Bcl-2比值增高，導(dǎo)致凋亡［39］，若在CuO納米顆粒處理前給予具有抗氧化活性的藏紅花酸（crocetin）可使細(xì)胞免于這種毒性損傷。同樣，TiO2［40］和Fe2O3［41］納米顆粒可通過ROS誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

2.3.2線粒體途徑

線粒體是細(xì)胞能量工廠，在細(xì)胞凋亡過程中發(fā)揮重要作用。ROS的大量生成可直接或間接作用于線粒體，誘導(dǎo)線粒體損傷。多種納米材料均可誘導(dǎo)線粒體損傷，進(jìn)而通過線粒體途徑介導(dǎo)細(xì)胞凋亡。研究顯示，TiO2納米顆粒在胞內(nèi)破壞抗氧化系統(tǒng)，產(chǎn)生大量ROS導(dǎo)致線粒體功能障礙是其誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡的機(jī)制之一［42］。納米鎳作用于HepGⅡ，可通過產(chǎn)生大量ROS引起線粒體膜電位改變，進(jìn)而通過線粒體途徑誘導(dǎo)胱天蛋白酶3活性增加，上調(diào)P53及Bax/Bcl-2比值，使細(xì)胞周期阻滯于G0/G1期，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生凋亡［43］。納米銀也通過ROS相關(guān)線粒體應(yīng)激途徑使小鼠胚胎成纖維細(xì)胞發(fā)生凋亡［44］。

2.3.3內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑

正確折疊和聚集蛋白、合成脂類和固醇以及儲存Ca2+等都離不開內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)。胞內(nèi)未折疊蛋白的大量聚集可引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic re?ticulum stress，ERS）。ERS通常很快恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，但長時間ERS則可通過CHOP和JNK通路引起凋亡。近年來研究也發(fā)現(xiàn)，納米材料可通過ERS途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。ZnO納米顆?？烧T導(dǎo)ERS信號通路活化，表現(xiàn)為糖調(diào)節(jié)蛋白78（glucose-regulated protein 78，GRP78）、二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）、X盒結(jié)合蛋白1（X box binding protein1，XBP 1）、真核起始因子2（eukaryotic initiation factor 2ɑ，eIF2ɑ）和蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（protein kinase R-like ER kinase，PERK）含量增多，進(jìn)而促進(jìn)胱天蛋白酶3，9和12活化，c-Jun氨基端激酶（c-Jun N-termi?nal kinase，JNK）和CHOP等被磷酸化，且Bax被上調(diào)，最終導(dǎo)致小鼠肝細(xì)胞凋亡［45］。若沉默CHOP表達(dá)，可降低ERS強(qiáng)度，進(jìn)而減弱納米銀誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡［46］。

2.3.4死亡受體途徑

個別研究報道顯示，死亡受體Fas/FasL途徑可能參與納米材料誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過程。Choi等［47］研究發(fā)現(xiàn)，量子點能引起神經(jīng)母細(xì)胞瘤SH-SY5Y細(xì)胞表面Fas的表達(dá)上調(diào)，增加細(xì)胞膜的脂質(zhì)過氧化，從而導(dǎo)致細(xì)胞功能損傷。另外，氧化鈷納米顆粒對淋巴細(xì)胞的損傷中，通過產(chǎn)生大量的ROS誘導(dǎo)TNF-ɑ合成，隨后通過胱天蛋白酶8/P38/胱天蛋白酶3通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［48］。

2.3.5其他途徑

納米銀進(jìn)入細(xì)胞后，大量聚集在胞質(zhì)和核內(nèi)，除通過胱天蛋白酶依賴途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡外，還可通過非胱天蛋白酶依賴途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，這主要與細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子（apoptosis inducing factor，AIF）和P38 MAPK的轉(zhuǎn)移有關(guān)［49］。除MAPK通路外，P53通路也參與納米材料誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。Hori等［50］研究發(fā)現(xiàn)，氧化鎳納米顆粒經(jīng)P53通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，同時去乙酰化酶1沉默信息調(diào)節(jié)因子（silent information regulator 1，sirtuin 1）的表達(dá)受抑制。sirtuin1是一種NAD+依賴性脫乙?；?，可使P53等發(fā)生脫乙?；?。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)sir?tuin1可抑制氧化鎳納米顆粒誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡作用［51］。

從上述研究可見，ROS介導(dǎo)的氧化應(yīng)激、線粒體途徑、死亡受體途徑、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑以及P53、MAPK等信號通路在納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡過程中均發(fā)揮一定作用。不過，細(xì)胞凋亡途徑并非獨(dú)立，而是交織在一起的，有效地放大了凋亡信號。如TiO2納米顆?？烧T導(dǎo)小鼠海馬趾神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度升高、線粒體膜電位降低，上調(diào)促凋亡蛋白細(xì)胞色素c、Bax、胱天蛋白酶3和12的表達(dá)，并減少抑凋亡蛋白Bcl-2表達(dá)，可見TiO2納米顆?？赏ㄟ^線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)兩條途徑誘發(fā)神經(jīng)細(xì)胞凋亡［52］。同樣，ZnO納米顆粒通過ERS和氧化應(yīng)激途徑使肝細(xì)胞發(fā)生凋亡［45］。

3　納米材料與細(xì)胞壞死

細(xì)胞壞死是細(xì)胞受到強(qiáng)烈刺激而發(fā)生的死亡現(xiàn)象。因壞死過程不需要合成新蛋白、低耗能，且不受穩(wěn)態(tài)機(jī)制調(diào)控，屬于被動性死亡。在生理和病理過程中均可有細(xì)胞壞死存在，而且細(xì)胞凋亡和壞死常發(fā)生在同一生理或病理學(xué)過程中。目前對于細(xì)胞壞死信號通路的了解甚少，納米材料誘發(fā)細(xì)胞發(fā)生壞死的機(jī)制尚不清楚。細(xì)胞內(nèi)的ATP含量的降低、高濃度的ROS和Bcl-2大量表達(dá)引起的Bcl-2家族蛋白表達(dá)的失衡、胱天蛋白酶活性受到抑制等都可能會引發(fā)細(xì)胞壞死。Pan等［53］研究發(fā)現(xiàn)，納米金可通過氧化應(yīng)激和線粒體損害誘導(dǎo)細(xì)胞壞死而發(fā)生死亡。單分散的非晶體球形硅納米顆粒主要是通過壞死方式誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞EAHY926發(fā)生死亡［54］。SiO2納米顆粒包裹了Ce3+后，可極強(qiáng)地誘導(dǎo)人外周血細(xì)胞發(fā)生壞死［55］。

4　納米材料誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬、凋亡和壞死之間的聯(lián)系

納米材料的毒性作用表現(xiàn)在可誘導(dǎo)細(xì)胞以不同的方式發(fā)生死亡，但各細(xì)胞死亡方式并不是孤立的，相互之間存在一定的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)機(jī)制。不同的細(xì)胞死亡方式在細(xì)胞生化代謝、形態(tài)學(xué)改變等方面有著顯著不同，但在功能上有著一定的聯(lián)系。近年來研究發(fā)現(xiàn)，自噬可通過內(nèi)在的分子調(diào)控機(jī)制與凋亡相互協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)化，從而調(diào)控細(xì)胞的生存和死亡。某些情況下，自噬抑制凋亡，促進(jìn)細(xì)胞存活，但自噬本身也會誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，或與凋亡共同作用，協(xié)同促進(jìn)細(xì)胞死亡。Bcl-2蛋白家族、胱天蛋白酶、Atg、P53等是細(xì)胞自噬與凋亡交互作用的重要調(diào)節(jié)因子。此外，受體相互作用蛋白3（receptor-interacting protein 3，RiP3）是凋亡和壞死轉(zhuǎn)換的分子開關(guān)。RiP3低水平表達(dá)細(xì)胞死亡方式選擇凋亡，高水平表達(dá)則引導(dǎo)細(xì)胞走向壞死?，F(xiàn)有研究表明，納米材料作用劑量不同可誘導(dǎo)不同的細(xì)胞死亡方式，常表現(xiàn)為納米材料低濃度作用后，細(xì)胞發(fā)生自噬或凋亡；而在較高或高濃度作用下，細(xì)胞發(fā)生壞死。例如，納米銀顆粒誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡所需濃度遠(yuǎn)低于誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生壞死所需濃度［56］；TiO2納米顆粒30 mg·L-1誘導(dǎo)小鼠L929成纖維細(xì)胞發(fā)生凋亡，而TiO2納米顆粒600 mg·L-1可直接誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生壞死［57］；富勒烯C60高劑量暴露可引起腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞U251發(fā)生ROS介導(dǎo)的壞死性細(xì)胞損傷，這與氧化應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶ERK活化有關(guān)，而低劑量下則引發(fā)ROS非依賴的自噬性細(xì)胞死亡［58］。

5　展望

近年來，納米材料生物毒性數(shù)據(jù)已有一定的積累，納米材料引發(fā)細(xì)胞死亡及其毒作用機(jī)制有了一定的認(rèn)識，但仍存在一些不足。一方面研究主要集中于體外培養(yǎng)的細(xì)胞系，而在體內(nèi)正常組織及細(xì)胞中的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；另一方面，實驗所用納米材料的理化性能（材料組成、尺度、形貌和表面性質(zhì)等）、實驗設(shè)計和實驗條件等的不同，使得納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡方面的實驗結(jié)果不全一致，甚至存在矛盾報道。納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡受多種因素的影響。無論通過哪種方式誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，都受納米材料本身、其粒徑大小和表面化學(xué)性質(zhì)等的影響。對納米材料進(jìn)行表面修飾可影響細(xì)胞死亡的發(fā)生及發(fā)生方式。因此，為規(guī)范納米材料生物毒性研究，今后納米毒理學(xué)研究需建立一套相對完整、科學(xué)的納米材料毒性測試的標(biāo)準(zhǔn)方法。此外，當(dāng)前毒理學(xué)研究主要關(guān)注納米材料高劑量毒性效應(yīng)，但為更切實地貼近納米材料實際暴露情況，納米材料的長期低劑量暴露及其毒性效應(yīng)，如遺傳毒性和致癌性等更值得關(guān)注。

目前納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的確切分子機(jī)制尚未完全闡明。納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的機(jī)制現(xiàn)多見于氧化應(yīng)激、線粒體介導(dǎo)細(xì)胞凋亡通路的激活、細(xì)胞膜通透性的改變以及DNA的斷裂，使得某些細(xì)胞最初產(chǎn)生大量自噬體以免除這種毒性損傷或最終導(dǎo)致自噬性死亡、凋亡，重者可致壞死。隨著研究的不斷深入和研究成果的不斷積累，新的毒性損傷機(jī)制逐漸被探索出來，但是ERS、代謝或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)蛋白的功能或結(jié)構(gòu)上的改變機(jī)制等方面的研究成果相對較少，有待進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其中潛在的價值，以及尚未發(fā)掘的機(jī)制。此外，除了文中所闡述的自噬、凋亡和壞死外，細(xì)胞還存在別的死亡方式，如脹亡、有絲分裂災(zāi)變死亡和衰老等，而它們在納米材料毒性效應(yīng)中的作用及其分子機(jī)制尚不明確，以及不同死亡方式之間的聯(lián)系還不清楚。

納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡效應(yīng)具有兩面性，一方面可能會引發(fā)應(yīng)用于人體的生物安全問題，提示應(yīng)加強(qiáng)納米材料的安全性評價，另一方面合理應(yīng)用其促進(jìn)靶細(xì)胞死亡的作用，將為疾病治療提供新希望，為納米材料提供更為廣闊的應(yīng)用前景。雖然在納米毒理學(xué)研究中還有很多未知問題，但納米材料在疾病診治方面的應(yīng)用給醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展帶來了新選擇。今后應(yīng)全面深入研究納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的分子機(jī)制以及不同死亡方式之間的交互作用機(jī)制，從而在分子水平有效地調(diào)控納米材料引發(fā)的細(xì)胞死亡效應(yīng)，為人類疾病的認(rèn)知和治療帶來新突破。

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（本文編輯：賀云霞）

Cell death induced by nanomaterials：research progress

JIA Jian，LI Yan-bo，GUO Cai-xia
（School of Public Health，Capital Medical University，Beijing 100069，China）

With the wide use of nanomaterials in biomedicine，materials，chemicals and other fields，their environmental exposure and cellular toxicity have come to the attention of researchers as a new research area in the field of nanotoxicology and nanomedicine.Researches on the toxic effects of nanomaterials have not only provided of a theoretical basis for safety evaluation of nanomaterials，but also promoted the have applications of nanotechnology.Numerous studies have revealed cell death is closely associated with the toxicity of nanomaterials.In this paper，we elaborated on the roles of three key cell death modes in nanotoxicity，including autophagy，apoptosis，and necrosis.Furthermore，the pos?sible mechanisms involved in these three modes were explored.All this will provide reference for safety evaluation of nanomaterials.

nanomaterial；cell death；apoptosis；autophagy；necrosis

The project supported by National Natural Science Foundation of China（81102095）；National Natural Science Foundation of China（81202242）；National Natural Science Foundation of China（81573176）；Science and Technology Development Program of the Beijing Municipal Commission of Education（KM201510025005）；and Project for Young Talents in Beijing Colleges and Universities（YETP1670）

GUO Cai-xia，E-mail：guocx@ccmu.edu.cn，Tel：（010）83911774

R994.6

A

1000-3002-（2016）04-0421-08

國家自然科學(xué)基金青年項目（81102095），國家自然科學(xué)基金青年項目（81202242），國家自然科學(xué)基金青年項目（81573176）；北京市教育委員會科技發(fā)展計劃面上項目（KM201510025005）；北京高等學(xué)校青年英才計劃項目（YETP1670）

賈 健，男，首都醫(yī)科大學(xué)2012級七年制臨床醫(yī)學(xué)學(xué)生。

郭彩霞，E-mail：guocx@ccmu.edu.cn，Tel：（010）83911774

2015-06-17接受日期：2016-02-23）