納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬及其“雙刃劍”作用

臧一騰，張婷

環(huán)境醫(yī)學(xué)工程教育部重點實驗室，東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，南京 210009

納米材料主要包括金屬納米材料、無機納米材料、有機納米材料和新型納米材料等[1]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米材料在工程材料、醫(yī)學(xué)診斷、藥物靶向和藥物運輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。伴隨著納米材料的廣泛應(yīng)用，在生產(chǎn)和使用過程中的納米材料不可避免地進(jìn)入環(huán)境，成為潛在的環(huán)境污染物，并且通過直接和間接方式對周圍環(huán)境、人體健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[2]，納米材料的安全性和健康效應(yīng)也成為其使用的前提。進(jìn)入機體的納米材料會引起機體內(nèi)的各種應(yīng)激反應(yīng)，已知多種納米材料被發(fā)現(xiàn)能夠誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的發(fā)生。細(xì)胞自噬是細(xì)胞自身調(diào)節(jié)和維持穩(wěn)態(tài)的重要過程，參與細(xì)胞周期、細(xì)胞死亡、干細(xì)胞的自我更新、多功能誘導(dǎo)干細(xì)胞的建立以及抵御外來病原微生物等過程[3]。生理狀態(tài)下，自噬對于維持細(xì)胞內(nèi)平衡起到重要作用；當(dāng)受到外來刺激，細(xì)胞迅速上調(diào)自噬水平，以此來維持細(xì)胞內(nèi)的營養(yǎng)和能量供給[4]，是一種防御和應(yīng)激調(diào)控機制。納米材料如量子點、碳納米材料和納米稀土金屬氧化物等都能誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，納米材料誘發(fā)促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡的自噬效應(yīng)可用于癌癥的治療干預(yù)，稀土金屬氧化物納米顆粒誘導(dǎo)細(xì)胞自噬可以清除Tau蛋白的聚集，保護(hù)神經(jīng)元細(xì)胞，在治療神經(jīng)退行性疾病中發(fā)揮作用。然而，當(dāng)納米材料誘發(fā)的自噬引起細(xì)胞內(nèi)應(yīng)激水平的升高，引起自噬體的堆積，細(xì)胞功能障礙時，可誘發(fā)細(xì)胞凋亡和死亡，這與機體多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)。

納米材料在生產(chǎn)生活中廣泛應(yīng)用的前提是發(fā)揮其應(yīng)用潛質(zhì)，并降低其毒性和環(huán)境暴露引起的健康風(fēng)險。通過系統(tǒng)認(rèn)識納米顆粒誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬效應(yīng)和相關(guān)機制，進(jìn)而調(diào)節(jié)納米材料理化性質(zhì)、調(diào)控細(xì)胞自噬發(fā)生、降低毒性是材料科學(xué)家和醫(yī)學(xué)研究者共同關(guān)注的問題。本文通過綜述納米材料誘發(fā)細(xì)胞自噬的相關(guān)機制，分別闡述納米材料誘發(fā)自噬的細(xì)胞保護(hù)和細(xì)胞損傷作用，在此基礎(chǔ)上對納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬在納米毒理學(xué)研究上進(jìn)行展望，為深入系統(tǒng)開展納米毒理學(xué)研究和納米材料健康風(fēng)險評估提供依據(jù)。

1 納米材料誘發(fā)細(xì)胞自噬的機制研究(Mechanism of autophagy induced by nanomaterials)

細(xì)胞自噬的發(fā)生經(jīng)歷起始、延伸、成熟、自噬體與溶酶體融合和降解的過程[5]。在生理狀態(tài)下，細(xì)胞維持低水平的自噬，可被特定的細(xì)胞應(yīng)激誘發(fā)。納米材料通過網(wǎng)格蛋白、小窩蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用、巨胞飲和吞噬等方式被細(xì)胞攝取，細(xì)胞將其識別為異物，從而觸發(fā)清除異物的自噬機制[6]。主要涉及細(xì)胞的氧化應(yīng)激、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和溶酶體等細(xì)胞器損傷(圖1)。

圖1 納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的過程注：ROS表示活性氧簇，LC3-Ⅱ表示微管相關(guān)蛋白Ⅱ輕鏈3，p62表示一種多功能泛素結(jié)合蛋白，CQ表示氯喹，3-MA表示3-甲基腺嘌呤。Fig. 1 The process of autophagy induced by nanomaterialsNote: ROS stands for reactive oxygen species; LC3-Ⅱ stands for microtubule-associated protein Ⅱ light chain 3; p62 stands for a multifunctional ubiquitinated protein; CQ stands for chloroquine; 3-MA stands for 3-methyladenine.

1.1 納米材料誘發(fā)的應(yīng)激效應(yīng)與細(xì)胞自噬之間的關(guān)系

納米材料與細(xì)胞表面受體的相互作用，激活細(xì)胞內(nèi)信號級聯(lián)，誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)活性氧(reactive oxygen species, ROS)的產(chǎn)生，當(dāng)其與抗氧化防御系統(tǒng)失衡時，觸發(fā)細(xì)胞的氧化應(yīng)激效應(yīng)[7]，這是誘導(dǎo)細(xì)胞自噬發(fā)生的重要原因之一[8-9]。納米材料引起細(xì)胞氧化應(yīng)激引發(fā)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化，線粒體膜滲透性增強，線粒體膜電位(MMP)及三磷酸腺苷(ATP)下降，導(dǎo)致線粒體腫脹及細(xì)胞色素C從線粒體膜上釋放[7,10-11]，受損的線粒體通過激活細(xì)胞自噬清除功能失調(diào)的細(xì)胞器，維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)。呂園園等[12]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)檸檬酸鈉包被的納米金顆粒處理A549細(xì)胞能夠改變其線粒體功能，如MMP降低、ATP含量減少以及解偶聯(lián)蛋白2(UCP2)表達(dá)降低，同時細(xì)胞抗氧化能力降低、ROS蓄積，并最終引起細(xì)胞產(chǎn)生自噬?？寡趸瘎㎞-乙酰半胱氨酸(N-acetylcysteine, NAC)能夠發(fā)揮抑制自噬的作用，逆轉(zhuǎn)上述線粒體及細(xì)胞功能的改變。

同時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(endoplasmic reticulum stress, ERS)也是引起細(xì)胞自噬的主要途徑之一[13]。納米材料進(jìn)入細(xì)胞后誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊或錯誤折疊蛋白堆積，引發(fā)ERS。Park等[14]發(fā)現(xiàn)磁性氧化鐵納米粒子(M-FeNPs)作用于小鼠腹膜巨細(xì)胞(RAW264.7)，通過線粒體損傷和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)自噬，細(xì)胞經(jīng)過自噬抑制劑巴弗洛霉素A1(bafilomycin A1)預(yù)處理后暴露于M-FeNPs 24 h，質(zhì)膜解體，細(xì)胞質(zhì)組分消失，凋亡細(xì)胞數(shù)量明顯增加。

1.2 納米材料誘發(fā)的溶酶體損傷與細(xì)胞自噬之間的關(guān)系

溶酶體是真核細(xì)胞中一種重要的膜性結(jié)構(gòu)細(xì)胞器，內(nèi)含有多種酸性水解酶，負(fù)責(zé)大分子物質(zhì)的降解，被譽為細(xì)胞的“消化系統(tǒng)”和“清道夫”。在細(xì)胞自噬過程中，自噬體與溶酶體融合形成自噬溶酶體是細(xì)胞自噬重要的過程。納米材料經(jīng)內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞后難以降解，常引起溶酶體損傷，細(xì)胞器功能紊亂。納米TiO2進(jìn)入人滋養(yǎng)細(xì)胞(HTR)，主要分布在溶酶體中。溶酶體降解功能受損，導(dǎo)致部分納米TiO2泄漏到細(xì)胞質(zhì)中，吸附細(xì)胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)，從而擾亂蛋白質(zhì)穩(wěn)定，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激[7]和線粒體功能受損，誘發(fā)細(xì)胞以自噬的方式清除受損的線粒體。單壁碳納米管和氧化石墨烯聚集在巨噬細(xì)胞的溶酶體內(nèi)部，破壞溶酶體膜的完整性，抑制自噬底物的降解[15]；納米金顆?？芍氯苊阁w腫脹，溶酶體pH值升高，降低溶酶體蛋白酶類的降解能力，從而引起細(xì)胞內(nèi)自噬性底物的堆積，導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞損傷性自噬[16]。

納米材料引起的溶酶體損傷可間接誘發(fā)細(xì)胞氧化應(yīng)激效應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞暴露于過多的活性氧，自噬功能受損，導(dǎo)致受損的細(xì)胞器(例如線粒體)積聚，從而誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、炎癥和DNA損傷。最后，這種自噬功能障礙可能導(dǎo)致細(xì)胞凋亡或自噬性細(xì)胞死亡，降低細(xì)胞活力[17]。Mittal等[18]研究發(fā)現(xiàn)，石墨碳納米纖維損傷人肺細(xì)胞溶酶體和細(xì)胞骨架，進(jìn)而阻斷自噬流，引起自噬體積累，通過胞內(nèi)ROS的增加誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

2 納米材料誘發(fā)的自噬效應(yīng)對細(xì)胞的作用(The effect of autophagy induced by nanomaterials on cells)

納米材料的生物效應(yīng)與材料組成密切相關(guān)。已有的研究表明，不同類型的納米材料，如金屬納米材料、非金屬氧化物、半導(dǎo)體量子點和有機納米材料，均可誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生自噬效應(yīng)。納米材料誘發(fā)的細(xì)胞自噬一方面可能對細(xì)胞產(chǎn)生保護(hù)作用，另一方面也可能對細(xì)胞產(chǎn)生損傷作用(圖2)。

2.1 納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的保護(hù)作用

低水平的自噬是細(xì)胞對納米材料引起應(yīng)激效應(yīng)的防御機制，對細(xì)胞具有保護(hù)作用[19]。Huang等[20]的研究表明，氧化應(yīng)激誘導(dǎo)DNA損傷并激活聚ADP-核糖聚合酶1(PARP-1)，PARP-1通過AMPK/mTOR通路誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，且細(xì)胞自噬的發(fā)生可以提高細(xì)胞的存活率，當(dāng)敲除自噬相關(guān)基因ATG5或ATG7，細(xì)胞死亡率明顯增加。Zhang等[21]對納米TiO2的研究表明，納米材料通過激活A(yù)MPK/mTOR信號通路誘導(dǎo)低水平的細(xì)胞自噬，減少TiO2引起的足細(xì)胞死亡。Luo等[19]比較ROS抑制劑NAC作用前后量子點705對于小鼠腎腺癌細(xì)胞系的作用，發(fā)現(xiàn)抑制ROS后，細(xì)胞自噬效應(yīng)受到抑制，細(xì)胞死亡率明顯增加。

納米材料誘導(dǎo)的自噬可以清除損傷線粒體和ROS損傷的蛋白，減輕后續(xù)的級聯(lián)反應(yīng)，抑制凋亡。Shi等[22]發(fā)現(xiàn)納米Fe3O4作用于人血細(xì)胞，降低Bcl-2表達(dá)而增加Beclin-1和ATG14，促進(jìn)p62降解，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，并減少caspase-3和PARP的分裂而顯示出抗凋亡活性。Laha等[23]發(fā)現(xiàn)，納米CuO作用于人乳腺癌細(xì)胞(MCF7)，通過磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)信號通路誘導(dǎo)細(xì)胞自噬效應(yīng)，自噬抑制劑3-MA的使用和ATG5 siRNA的使用都明顯增強納米CuO誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。周偉[24]研究發(fā)現(xiàn)，納米P型四價釩氧化物(P-VO2)晶體作用于Hela細(xì)胞，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬發(fā)生，進(jìn)而引起胞漿蛋白血紅素氧化酶HO-1上調(diào)，降低了氧化應(yīng)激水平從而保護(hù)細(xì)胞，且HO-1的分解產(chǎn)物及其自身是通過激活PI3K信號通路，減少壞死線粒體的聚集，進(jìn)而減少凋亡[24-25]。

圖2 納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的機制及其作用途徑注：AMP表示單磷酸腺苷，ATP表示三磷酸腺苷，AMPK表示AMP依賴的蛋白激酶，PI3K-1、PI3K-3表示磷酸肌醇3磷酸激酶-1、磷酸肌醇3磷酸激酶-3，Akt表示蛋白激酶B，MAPK表示絲裂原活化蛋白激酶，Erk表示細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶，△Ψ表示線粒體跨膜電位，Bcl-2表示B淋巴細(xì)胞瘤-2基因，Atg14表示自噬相關(guān)蛋白14，mTOR表示哺乳動物雷帕霉素靶蛋白，Bax表示Bcl-2相關(guān)X蛋白，Cyt-c表示細(xì)胞色素c。Fig. 2 Mechanism of nanomaterial-induced autophagy and its pathwayNote: AMP stands for adenosine monophpspade; ATP stands for adenosine triphosphate; AMPK stands for adenosine monophpsphate-activated protein kinase; PI3K-1 and PI3K-3 stand for phosphoinositide 3-phosphate kinase-1 and phosphoinositide 3-phosphate kinase-3; Akt stands for protein kinase B; MAPK stands for mitogen-activated protein kinases; Erk stands for extracellular regulated protein kinases; △Ψ stands for mitochondrial transmembrane potential; Bcl-2 stands for B-cell lymphoma-2; Atg14 stands for autophagy related genes 14; mTOR stands for the mammalian target of rapamycin; Bax stands for Bcl-2 associated X protein; Cyt-c stands for cytochrome c.

納米材料引起的線粒體自噬對細(xì)胞本身起到保護(hù)作用。金屬氧化物納米ZnO作用于小鼠膠質(zhì)細(xì)胞(BV-2)，觀察到細(xì)胞內(nèi)線粒體自噬相關(guān)蛋白Parkin由胞漿向線粒體轉(zhuǎn)位，PINK1基因沉默的BV-2細(xì)胞經(jīng)納米ZnO處理后，其胞漿內(nèi)的Parkin蛋白未發(fā)生向線粒體轉(zhuǎn)位的現(xiàn)象，并且其細(xì)胞內(nèi)線粒體膜電位下降的幅度也大于正常的BV-2細(xì)胞[26]。

細(xì)胞自噬能夠抵御納米材料本身的損傷作用。Liu等[27]通過體內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，納米鉍顆粒誘導(dǎo)人類腎胚胎細(xì)胞的自噬受AMPK/mTOR通路調(diào)節(jié)，并可在體內(nèi)引起急性腎損傷，利用雷帕霉素誘導(dǎo)自噬，可觀察到肌酐和血尿素氮的升高，急性腎損傷減輕。

目前，納米材料誘導(dǎo)的保護(hù)性自噬效應(yīng)是減少其引起細(xì)胞損傷的保護(hù)性作用，也被廣泛地用于一些疾病的治療中。Xue等[28]發(fā)現(xiàn)功能化的單壁碳納米管(SWNT)通過逆轉(zhuǎn)mTOR信號的異常激活和溶酶體蛋白水解的缺陷，恢復(fù)正常的自噬，從而促進(jìn)了自噬基質(zhì)的消除。納米氧化石墨烯(GO)可以增加細(xì)胞自噬體和溶酶體的融合，保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞抵抗朊蛋白(PrP(106-126))介導(dǎo)的凋亡[29]。GO通過激活自噬流抑制線粒體功能障礙，預(yù)防朊病毒介導(dǎo)的神經(jīng)毒性。Shen等[30]發(fā)現(xiàn)納米金顆粒誘導(dǎo)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的自噬效應(yīng)能夠抑制細(xì)胞增殖、遷移和成管，當(dāng)其作用于氧誘導(dǎo)視網(wǎng)膜病變小鼠模型時，具有治療視網(wǎng)膜血管生成的潛力。

2.2 納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的損傷作用

與上述細(xì)胞自噬引起的保護(hù)作用相反，當(dāng)納米材料誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬不能應(yīng)對環(huán)境改變時會表現(xiàn)為損傷性的自噬。Duan等[31]的研究表明，硅納米顆粒破壞細(xì)胞骨架組織，通過抑制MEK1/2/Erk1/2/mTOR和PI3K/Akt/mTOR激活內(nèi)皮細(xì)胞和細(xì)胞自噬，引起線粒體損傷，減弱細(xì)胞粘附分子的表達(dá)，從而引起內(nèi)皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的干擾，最終影響血管生成。

納米材料誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬對于細(xì)胞損傷作用的主要表現(xiàn)形式是誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。錳納米晶體可被多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞攝取，進(jìn)入胞質(zhì)中的納米錳通過上調(diào)轉(zhuǎn)鐵蛋白增加金屬的吸入，轉(zhuǎn)移蛋白受體可以通過由內(nèi)體/溶酶體系統(tǒng)釋放的自由金屬釋放出的依賴于錳納米晶體的ROS，引起B(yǎng)eclin-1和LC3蛋白增加，激活caspase介導(dǎo)的凋亡通路[32]。納米ZnO顆粒作用于人骨肉瘤細(xì)胞，增強自噬體與損傷溶酶體的功能，誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，納米顆粒通過自噬促進(jìn)鋅離子的釋放，損傷線粒體，導(dǎo)致ROS觸發(fā)的細(xì)胞凋亡[33]。納米Fe2O3作用于鼠腎上腺噬鉻瘤細(xì)胞(PC12)，引起LC3-Ⅱ表達(dá)增加和p62表達(dá)降低，誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡。無機非金屬材料納米SiO2作用于肝癌細(xì)胞(HepG2)也表現(xiàn)出相同的細(xì)胞自噬水平增加進(jìn)而引起細(xì)胞凋亡的發(fā)生[34]。

納米材料誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬還可直接引起細(xì)胞死亡。Chiu等[35]報道Akt/mTOR和AMPK信號通路參與調(diào)控聚苯乙烯納米材料誘發(fā)的RAW 264.7和人支氣管上皮細(xì)胞(BEAS-2B)自噬性細(xì)胞死亡。Lee等[36]報道納米硅顆粒作用于人內(nèi)皮細(xì)胞，通過PI3K/AKT/eNOS信號通路誘導(dǎo)自噬，引起壞死細(xì)胞死亡。Chen等[37]發(fā)現(xiàn)納米Nd2O3引起人非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞(NCI-H460)自噬，并伴有S期細(xì)胞周期阻滯，線粒體膜電位輕度破壞，蛋白酶體活性抑制，并且觀察到經(jīng)納米Nd2O3處理的NCI-H460細(xì)胞中含有大量自噬小體，提示自噬的發(fā)生，同時未觀察到染色質(zhì)凝集或核碎裂，這證實了沒有凋亡細(xì)胞。Fan等[38]研究發(fā)現(xiàn)，CdTe/CdS 655量子點作用于人肝正常細(xì)胞(HL-7702)、人胚腎細(xì)胞(HEK-293)、HepG2細(xì)胞和人淋巴瘤細(xì)胞(Raji)均可觀察到LC3-Ⅱ增加、p62減少，并引起細(xì)胞死亡，采用3-MA或siRNA靶向ATG5進(jìn)行自噬敲除，抑制自噬效應(yīng)使細(xì)胞存活率明顯提高，即自噬起到了協(xié)同死亡的作用。

部分納米材料誘導(dǎo)的自噬效應(yīng)不直接引起細(xì)胞死亡，但能夠使得細(xì)胞對于外界的環(huán)境更加敏感。Chakraborty等[39]發(fā)現(xiàn)納米TiO2引起人支氣管上皮細(xì)胞(16HBE)早期自噬發(fā)生，上調(diào)NGF/TrkA軸，增強16HBE細(xì)胞中呼吸道合胞病毒(RSV)的感染性。抑制PI3K/Beclin-1活性導(dǎo)致呼吸道RSV在支氣管細(xì)胞中復(fù)制的顯著降低。此外，多項研究表明，納米材料可作為放射增敏劑，加重癌細(xì)胞的損傷。乳腺癌細(xì)胞(MCF-7)用表面覆蓋有抗癌藥物的納米二氧化鈰粒子(NGA-CNPs)孵育24 h之后進(jìn)行輻射治療，較NGA單獨輻射處理，MCF-7細(xì)胞自噬水平和細(xì)胞死亡率均有顯著增加[40]。硒納米顆粒也被報道能夠增強MCF-7細(xì)胞的自噬水平，提高放射敏感性[41]。納米銀粒子可以作為治療缺氧性神經(jīng)膠質(zhì)瘤的放射增敏劑，其潛在機制是增強破壞性自噬，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[42]。

隨著納米材料環(huán)境暴露的增加，其誘導(dǎo)的自噬性損傷與多種疾病的發(fā)生相關(guān)。Colasanti等[43]發(fā)現(xiàn)經(jīng)二氯甲烷萃取后的柴油廢氣顆粒(DEPs)在正常人支氣管上皮細(xì)胞(NHBE)中刺激促炎細(xì)胞因子IL-18的釋放，導(dǎo)致局部抗原呈遞細(xì)胞(APC)自噬，并且隨之發(fā)生瓜氨酸化，引起自身免疫性風(fēng)濕性疾病。Jeon和Lee[44]研究發(fā)現(xiàn)，PM0.1作用于人多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞(SH-SY5Y)產(chǎn)生的ROS引發(fā)自噬，并最終導(dǎo)致細(xì)胞損傷，且在PM0.1的作用下，阿爾茨海默病相關(guān)蛋白磷酸丙糖異構(gòu)酶(TPI)被下調(diào)，SH-SY5Y細(xì)胞呈現(xiàn)出神經(jīng)退行性疾病的早期表現(xiàn)，這提示自噬性損傷可能是顆粒物暴露引起神經(jīng)炎癥和神經(jīng)退行性疾病的機制之一。

3 納米材料誘導(dǎo)的自噬效應(yīng)的影響因素(Influencing factors of autophagy induced by nanomaterials)

納米材料誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬水平與細(xì)胞對材料的攝取正相關(guān)[45]，受材料理化性質(zhì)及作用的細(xì)胞類型等多種因素的影響。納米材料的尺寸、形狀、分散性和表面修飾等均對誘導(dǎo)細(xì)胞自噬水平產(chǎn)生影響。

納米材料誘發(fā)的細(xì)胞自噬體的累積[46]與溶酶體的抑制程度[46-47]具有尺寸依賴性，Li等[48]發(fā)現(xiàn)納米級(40 nm、60 nm)SiO2可誘導(dǎo)BEAS-2B細(xì)胞線粒體損傷，通過PI3K/Akt/mTOR途徑誘導(dǎo)自噬，細(xì)胞LC3和SQSTM1/p62的表達(dá)以尺寸和劑量依賴性方式上調(diào)，而微尺度SiO2顆粒(200 nm)具有抑制作用。Ma等[46]研究發(fā)現(xiàn)，金納米顆粒誘導(dǎo)人血管內(nèi)皮細(xì)胞自噬，在粒徑為10 nm、25 nm和50 nm的納米金顆粒作用下，自噬體的累積程度依次增加，細(xì)胞LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值從0.78增加到1.02和1.12。納米材料的分散性也可影響細(xì)胞自噬的水平，黃登通[45]研究發(fā)現(xiàn)，聚集的納米氧化鐵由于沉降，粘附于細(xì)胞表面，引起細(xì)胞內(nèi)GFP-LC3熒光斑點的大量增加，而經(jīng)移液器吹打均勻、分散良好的氧化鐵所引起的自噬效應(yīng)則不明顯。同時，材料的形狀也對自噬的水平產(chǎn)生影響，Wang等[49]用相同的表面修飾，比較不同的金納米結(jié)構(gòu)——納米棒、納米碳棒和球狀納米材料的細(xì)胞吸收，發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的分支態(tài)更易進(jìn)入細(xì)胞。Yang等[50]研究羥基磷灰石雜化納米材料誘導(dǎo)大鼠間充質(zhì)干細(xì)胞(rMSCs)自噬釋放Ca2+增強成骨的作用，與針形、片形納米顆粒相比，球形顆粒誘導(dǎo)細(xì)胞表現(xiàn)出更強的骨形成能力。

由于表面配體受體作用的不同，納米材料的生物相容性[51]受到影響，引起類型不同的自噬以及結(jié)局不同的毒性效應(yīng)。Wu等[52]改變多壁碳納米管(MWCNTs)表面配體，發(fā)現(xiàn)MWCNT-COOH、MWCNT 41均引起自噬相關(guān)標(biāo)志物L(fēng)C3的改變，MWCNT-COOH降低了IGF-1的表達(dá)，增加了對細(xì)胞的免疫干擾，誘導(dǎo)mTOR依賴的自噬。MWCNT 41處理并沒有減少mTOR和p70S6K的磷酸化，但降低了IFNA2的表達(dá)。Li等[53]的研究表明，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)包被的金納米顆粒能通過AKT-mTOR通路誘導(dǎo)人肺腺癌細(xì)胞(A549)自噬，引起LC3-Ⅱ的轉(zhuǎn)變和p62的降解，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡，但聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)和聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDAC)包被的金納米顆粒幾乎不能引起自噬。納米金材料作用于人腎近端小管細(xì)胞(HK-2)能夠誘導(dǎo)自噬和細(xì)胞存活，而暴露在同一條件下的缺氧HK-2產(chǎn)生過量ROS，線粒體膜電位損失，最終引起細(xì)胞凋亡和自噬性死亡[54]。由此可見，探究納米材料的自噬效應(yīng)時，其理化性質(zhì)、分散狀態(tài)及其作用環(huán)境等都是需要考慮的影響因素。

4 納米材料誘導(dǎo)細(xì)胞自噬在納米醫(yī)學(xué)和納米材料風(fēng)險評估上的應(yīng)用及展望(Application and prospect of autophagy induced by nanomaterials in nanomedicine and risk assessment of nanomaterials)

細(xì)胞自噬是細(xì)胞內(nèi)重要的生理過程，納米材料在特定細(xì)胞中誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬有助于疾病的治療，適量的自噬水平能夠增強細(xì)胞的新陳代謝，是細(xì)胞能量循環(huán)維持自穩(wěn)態(tài)的必要手段；而過度的細(xì)胞自噬會消耗細(xì)胞的自身架構(gòu)、并使細(xì)胞一直處于應(yīng)激狀態(tài)，最終導(dǎo)致細(xì)胞的程序性死亡。正如文中所述，納米材料引發(fā)的自噬效應(yīng)連同自噬本身都是一把“雙刃劍”。一方面，當(dāng)納米材料以自發(fā)或以診療方式與正常細(xì)胞接觸時，通過調(diào)節(jié)納米材料理化性質(zhì)降低由于細(xì)胞自噬產(chǎn)生的對正常細(xì)胞的毒性效應(yīng)，提高其生物相容性至關(guān)重要；另一方面，自噬可能是納米材料的一種毒性機制，環(huán)境中的納米材料誘發(fā)的細(xì)胞自噬對于特定細(xì)胞及機體的損傷作用應(yīng)引起足夠的重視。因此，通過闡明不同納米材料誘導(dǎo)自噬過程的分子機制，控制和調(diào)節(jié)納米材料引起的自噬活化，并且在分子水平上調(diào)控自噬發(fā)生過程，讓細(xì)胞自噬在納米醫(yī)學(xué)中發(fā)揮疾病的治療作用并且降低納米材料本身的毒性，為納米材料誘發(fā)的自噬效應(yīng)在納米醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。更為重要的是，隨著新型納米材料的不斷涌現(xiàn)，對納米材料進(jìn)行毒性評價和健康風(fēng)險評估成為毒理學(xué)研究者們關(guān)注的問題之一。納米材料之間性質(zhì)的差異導(dǎo)致其毒性效應(yīng)和發(fā)生過程中誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的分子機制不盡相同，在全面認(rèn)識細(xì)胞自噬在納米材料毒性評價中重要性的基礎(chǔ)上，是否以可以將細(xì)胞自噬作為毒作用的早期表現(xiàn)，以及如何通過系統(tǒng)研究闡述其材料理化性質(zhì)與自噬發(fā)生之間的規(guī)律，進(jìn)行納米材料的毒性評價與預(yù)測可能是進(jìn)行納米材料毒性研究中關(guān)鍵的問題之一，建立以細(xì)胞自噬為終點的納米材料構(gòu)效關(guān)系研究也可能成為納米材料健康風(fēng)險評估的重要方面。