納米二氧化硅影響自噬的機制及其生物學意義的研究進展*

王 瑞，劉 蕾 綜述，邱紅梅，趙新元△ 審校

(1.南通大學公共衛(wèi)生學院職業(yè)醫(yī)學與環(huán)境毒理學系，江蘇南通 226019；2.南通大學附屬醫(yī)院病理科，江蘇南通 226001；3.江蘇省南通市老年康復醫(yī)院 226001)

隨著科技發(fā)展，納米顆粒在過去的十幾年中被廣泛應用于各行各業(yè)，其中納米二氧化硅顆粒(SiNPs)是與人們的生產(chǎn)生活關系最為密切的納米顆粒之一[1-2]。鑒于SiNPs在食品、化妝品、農(nóng)業(yè)等領域內(nèi)的廣泛應用和巨大產(chǎn)量，因此，必須重視其對人體的潛在風險因素[3-4]。目前，已有文獻支持SiNPs具有心血管毒性、神經(jīng)毒性、生殖毒性等[5-7]。然而，SiNPs誘導細胞毒性的效應和機制仍不清楚[3,8-9]。

自噬是細胞應激后溶酶體吞噬并降解細胞內(nèi)受損細胞器和生物分子的過程，可維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[10]。根據(jù)底物到達溶酶體的方式不同，自噬分為3類：巨自噬、微自噬和分子伴侶介導的自噬，其中以巨自噬研究最多，即一般意義上的自噬[11-12]，本文也主要圍繞巨自噬展開討論。自噬包括3個階段：(1)自噬體膜包裹待降解底物，隨后延伸形成雙層膜的自噬小體；(2)自噬小體與溶酶體融合成自噬溶酶體；(3)自噬溶酶體利用自身包含的活性酶消化待降解物[13]，見圖1。自噬在細胞生命中起著至關重要的作用，包括適應代謝應激，清除有害物質(zhì)(如蛋白質(zhì)聚集體、受損細胞器、細胞內(nèi)病原體等)，調(diào)節(jié)分化發(fā)育過程及防止基因組損傷等[14]。本文旨在綜述SiNPs影響細胞自噬的機制及其生物學意義的相關研究，探討SiNPs影響自噬機制差異的因素。

圖1 自噬的3個過程

1 SiNPs影響自噬的機制

自噬體的形成涉及多個自噬相關蛋白和兩個泛素化結(jié)合系統(tǒng)，其中LC3蛋白對于自噬體膜的形成和延長至關重要，p62蛋白起識別和結(jié)合泛素化蛋白的關鍵作用，并通過LC3蛋白運載至自噬小體進行降解[13,15]。整體來說，SiNPs誘導自噬(第1階段)的機制主要涉及多條信號通路，包括最經(jīng)典的雷帕霉素哺乳動物靶蛋白(mTOR)通路，以及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、氧化應激等；而SiNPs對第2、3階段的影響仍主要在表型階段，缺乏深入的分子機制探討。

1.1 SiNPs誘導自噬機制

mTOR通路既是現(xiàn)今最經(jīng)典的自噬調(diào)控機制[16-17]，也是普遍被接受的參與SiNPs致細胞毒性的機制。然而，作用的細胞不同，SiNPs對mTOR的調(diào)控不盡相同，見表1。SiNPs通過抑制mTOR途徑誘導人肺上皮細胞和小鼠精母細胞自噬激活[18-20]。DUAN等[21]研究報道，SiNPs可以通過抑制磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/絲氨酸-蘇氨酸激酶(AKT)/mTOR途徑干擾一氧化氮(NO)/一氧化氮合酶(NOS)系統(tǒng)，誘導炎性反應，從而激活自噬，最終導致內(nèi)皮功能障礙，同樣的機制也發(fā)生于腎上腺髓質(zhì)嗜鉻細胞瘤[22]。但人角膜上皮細胞暴露于SiNPs的研究表明，雖然SiNPs激活自噬，但mTOR通路保持不變或被激活[23-25]。在永生化的人小梁網(wǎng)細胞，也觀察到自噬和mTOR通路的顯著共激活[26]。

表1 SiNPs對mTOR的調(diào)控

除了經(jīng)典mTOR通路，SiNPs還通過調(diào)控其他一些機制激活自噬，例如氧化應激。一般體內(nèi)活性氧(ROS)參與調(diào)節(jié)細胞生理狀態(tài)，還與疾病的發(fā)病機制相關，如果產(chǎn)生增多或抗氧化作用失衡會導致氧化應激[27]。SiNPs誘導人肝癌細胞過量產(chǎn)生ROS，觸發(fā)自噬，最終導致細胞發(fā)生自噬性死亡[28]。SiNPs導致的氧化應激還可誘導人肺成纖維細胞發(fā)生自噬[29]。SiNPs通過過度誘導ROS生成介導自噬體形成[30]。此外，SiNPs還能通過PI3K/AKT/內(nèi)皮型一氧化氮合酶(eNOS)信號軸、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、細胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ERK)信號通路等機制誘導自噬[31-33]。

1.2 SiNPs阻斷自噬流機制

除了通過上述機制增加自噬小體的合成外，SiNPs能夠阻滯自噬流，引起自噬小體積聚。WANG等[35]研究發(fā)現(xiàn)SiNPs被肝細胞吞噬后，大部分沉積于溶酶體，并通過破壞溶酶體膜通透性，損傷溶酶體，導致自噬小體和溶酶體融合受阻，從而抑制自噬小體降解，導致自噬功能障礙。本課題組也發(fā)現(xiàn)SiNPs通過抑制肺泡上皮細胞溶酶體的酸化功能損傷溶酶體，繼而阻斷自噬小體的降解，細胞活力明顯下降[2,15]。然而，RUAN等[36]則發(fā)現(xiàn)盡管SiNPs能損害NRK細胞溶酶體的降解能力并明顯抑制自噬流，但其細胞活力未見明顯變化。另外，SiNPs可以通過ROS/多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(PARP)/瞬時受體電位M2型(TRPM2)途徑，引起肺上皮細胞溶酶體降解能力受損和隨后的自噬通量受阻[37]。因此，SiNPs引發(fā)的自噬流阻滯可能導致自噬小體和溶酶體的融合過程受損和(或)自噬溶酶體的降解能力受損。

2 SiNPs誘導自噬所表現(xiàn)的生物學意義

正常情況下自噬能夠維持細胞穩(wěn)態(tài)，但過度的細胞內(nèi)外刺激使得自噬異?；罨?，引起細胞損傷。自噬既可以抵御病毒和細菌的侵襲，影響機體發(fā)育，保護氧化性損傷等，也能引起神經(jīng)退行性疾病、代謝相關疾病、腫瘤細胞的異常增殖等，即自噬對細胞的最終命運起“雙刃劍”作用，SiNPs介導的自噬也不例外。

2.1 自噬的損傷作用

一方面，SiNPs誘導的自噬可以引起細胞損傷。如SiNPs暴露使人臍靜脈內(nèi)皮細胞產(chǎn)生大量ROS，不僅激活內(nèi)皮細胞自噬，同時也破壞了自噬降解，導致功能缺陷的線粒體不能正常降解，破壞了內(nèi)皮細胞的穩(wěn)態(tài)。氧自由基清除劑預處理對SiNPs誘導的細胞具有保護作用[38]。另一項研究也采用人臍靜脈內(nèi)皮細胞作為研究對象，發(fā)現(xiàn)類似效應，即SiNPs通過誘導ROS生成觸發(fā)自噬并最終導致細胞自噬性死亡，而氧自由基清除劑和自噬抑制劑(3-MA)均能有效地抑制SiNPs誘導的細胞自噬和死亡[28]。研究也發(fā)現(xiàn)SiNPs誘導的內(nèi)皮細胞功能障礙與自噬有關，并伴有炎性反應，通過抑制PI3K/AKT/mTOR信號通路最終導致內(nèi)皮細胞自噬過度活化和損傷，這可能是納米顆粒引起心血管疾病的潛在機制[21]。血管內(nèi)皮生長因子受體-2介導的自噬信號和血管生成信號傳導通路之間存在聯(lián)系，且與SiNPs誘導的心血管毒性有關。有研究表明，SiNPs誘導內(nèi)皮細胞的自噬激活，破壞細胞的動態(tài)平衡，觸發(fā)血管內(nèi)皮生長因子受體-2下調(diào)，從而抑制血管生成，引起心血管毒性[34]。此外，SiNPs通過PI3K/AKT/eNOS信號軸誘導自噬，介導人臍靜脈內(nèi)皮細胞死亡，采用LC3蛋白特異性siRNA阻斷自噬可以明顯減少細胞死亡[31]。另外，還有研究表明SiNPs介導的自噬過度活化對生殖系統(tǒng)也有損傷，長期低劑量的SiNPs暴露可通過miR-494靶向抑制AKT/mTOR信號通路，促進小鼠精母細胞的自噬和損傷作用，為SiNPs引起的生精障礙提供了潛在機制和干預靶點[20]。

2.2 自噬的保護作用

另一方面，自噬的激活也能促進SiNPs暴露下細胞的存活和功能維持。SiNPs可通過與p62和LC3-Ⅱ蛋白的直接作用活化自噬，對成骨細胞的分化和礦化有促進作用[33]。同樣，SiNPs也能使骨髓間充質(zhì)干細胞自噬反應增強，促進其成骨分化[39]。XI等[40]研究初步推斷SiNPs可誘導肝臟炎癥，但其誘導的自噬激活又能使毒性減弱。SiNPs可破壞腸上皮細胞線粒體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生大量ROS，激活Nod樣受體蛋白3(NLRP3)炎性小體。炎性小體過度激活導致腸道炎癥加劇，從而促進細胞凋亡、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3表達上調(diào)，進而滅活Beclin1抑制自噬，導致受損的線粒體不能及時清除[41]，間接說明自噬在該過程中充當保護作用。SiNPs暴露激活人肺腺癌上皮細胞A549的細胞自噬，使其免于凋亡[42]。RAW264.7巨噬細胞暴露于低濃度SiNPs可活化自噬，減輕細胞毒性[43]。

也有一些報道表明，SiNPs通過誘導細胞自噬通量阻斷，從而導致了細胞毒性，反面證實功能正常的自噬對維持細胞功能至關重要。如SiNPs介導肺上皮細胞自噬功能障礙，抑制了p62的降解，p62的積累進一步激活了核因子-κB，使核因子-κB依賴的炎性反應發(fā)生，引起氣道炎癥[15,18]。ZHAO等[2]報道SiNPs通過損害溶酶體酸化抑制肺泡上皮細胞的自噬降解，從而導致肺泡上皮細胞凋亡，繼而引起小鼠肺纖維化。WANG等[37]研究顯示，SiNPs暴露導致溶酶體損傷，使自噬通量阻斷，促炎性介質(zhì)產(chǎn)生、堆積，導致肺部炎癥。

3 SiNPs誘導自噬的可能影響因素

3.1 表面修飾

納米顆粒的修飾方式可以決定細胞自噬的方向。如表面用牛血清蛋白修飾的SiNPs處理的非吞噬細胞會提高自噬活性，而用纖維蛋白原修飾的SiNPs則抑制了自噬活性[44]。CHOU等[19]研究表面電荷為正和表面電荷為負的SiNPs，發(fā)現(xiàn)只有帶正電荷的SiNPs才能在細胞內(nèi)充分積聚，從而誘導氧化應激，并抑制mTOR信號通路，誘導自噬。

3.2 SiNPs顆粒直徑

SiNPs的顆粒直徑也是影響因素之一。RUAN等[36]報道3種大小的SiNPs(16、29和51 nm)都能誘導自噬激活，但16 nm效果更明顯且還可以抑制自噬通量。

3.3 其他因素

除表面修飾和粒徑，其他因素(如材料形狀、細胞類型等)也會導致細胞中自噬發(fā)生機制的差異。兩種SiNPs——沉淀型和熱源型的無定形SiNPs，都劑量依賴地阻斷自噬流，但熱源型無定形SiNPs對哺乳動物雷帕霉素靶蛋白復合物1(mTORC1)活性及自噬的影響更大，表明熱源型無定形SiNPs具有更高的細胞毒性[45]。

4 總 結(jié)

大量研究證實SiNPs能引起自噬，誘導自噬的機制及細胞結(jié)局因表面修飾、顆粒直徑、細胞類型不同而不同。

從目前的報道可知，研究SiNPs與自噬時多以各種體外細胞為模型，以動物為模型的體內(nèi)研究較少，需要進一步建立模型分析SiNPs影響自噬與疾病的相關性。此外，雖然一些文章都探討了自噬與溶酶體損傷存在關系[15,35-37]，但溶酶體損傷的分子機制未見深入研究，亟待進行。此外，SiNPs的廣泛應用提供了更多的接觸途徑，與外環(huán)境中其他毒素和細菌的協(xié)同作用是否影響它對自噬的調(diào)控也不清楚。

無論從科學價值、社會影響，還是環(huán)境因素等方面來看，研究SiNPs對人潛在健康影響的意義是巨大的。一方面，SiNPs對人體具有毒性，易被細胞內(nèi)化，進而引起細胞自噬，導致各類疾病如神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾??；但另一方面，SiNPs調(diào)控細胞自噬的能力可能為其治療癌癥的應用提供方向[30,46]。