近日，《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）在线发表化学与分子科学学院黄卫华教授课题组在单细胞电分析领域的最新研究成果。
论文题目为“NanosensorDetection of Reactive Oxygen and Nitrogen Species Leakage in Frustrated Phagocytosis of Nanofibers”（纳米电极监测巨噬细胞沮丧吞噬纳米纤维过程中ROS/RNS泄漏）。武汉大学化学与分子科学学院2020级博士研究生齐昱婷为第一作者，黄卫华教授和法国巴黎高师Christian Amatore教授为通讯作者，武汉大学、法国巴黎高师和天津大学为署名单位。
机体吸入环境暴露的高长径比惰性纳米纤维（石棉、玻璃纤维、碳纳米管等）后，肺泡巨噬细胞会迅速识别这些异物并试图将其吞噬。然而由于纤维状材料高长径比和难于分解的特性，巨噬细胞难于对其快速清除，从而形成“沮丧吞噬”模式。在此过程中，巨噬细胞内的NADPH氧化酶（NOX）和诱导型一氧化氮合酶（iNOS）会持续产生活性氧和活性氮（ROS/RNS）消化纤维。由于吞噬腔始终未封闭，大量产生的ROS/RNS可能会从吞噬口泄漏到胞外，对周围肺组织细胞造成损伤并引发疾病。在过去几十年里，研究人员采用ROS/RNS染色以及活体实验对碳纳米管和石棉等纳米纤维材料的研究均支持这一假设。然而，因缺乏合适的传感器，ROS/RNS泄露一直未能直接监测，且该过程中各类活性物质的化学组成及其时空动态变化特征仍然未知。
针对沮丧吞噬假说，黄卫华教授团队将铂黑纳米线电化学传感器（SiC@PtNWS）定位在巨噬细胞吞噬口处，实现了对沮丧吞噬玻璃纳米纤维的过程中4种主要ROS/RNS（ONOO–，H2O2，NO和NO2–）泄露通量的实时定量监测。结果表明，在玻璃纤维吞噬各阶段，ROS/RNS释放存在明显时间差异。相较于细胞顶部，吞噬口处存在大量ROS/RNS泄露，且随吞噬进行持续增加直到吞噬口封闭泄漏。NOX和iNOS参与动态调控ROS/RNS的物质组成。相关数据定量展示了单个巨噬细胞沮丧吞噬玻璃纳米纤维时ROS/RNS产生的时空特征，从而描绘出巨噬细胞应对惰性高长径纳米材料的动态免疫调节过程。体外共培养和活体实验进一步表明，持续且大量的ROS/RNS泄漏会导致外周细胞严重受损，最终转化为慢性炎症和肺损伤。
综上，该工作采用高灵敏电化学纳米传感器，从定量测量和酶动力学角度证实了巨噬细胞沮丧吞噬过程ROS/RNS的泄露假说，实验结果构建了单细胞行为变化到肺组织损伤之间桥梁，对于深入理解高长径比纳米材料环境暴露导致的相关疾病具有重要意义。
该工作得到了国家自然科学基金、天津大学傅平青团队和武汉大学科研公共服务条件平台的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01575-0
通讯员：化苑 编辑：肖珊
来源：武汉大学
