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、農業(yè)等領域內的廣泛應用和巨大產量，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受損細胞器和生物分子的過程，可維持細胞內環(huán)境穩(wěn)態(tài)[10]。根據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(如蛋白質聚集體、受損細胞器、細胞內病原體等)，調節(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，包括最經典的雷帕霉素哺乳動物靶蛋白(mTOR)通路，以及內質網應激、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)今最經典的自噬調控機制[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，最終導致內皮功能障礙，同樣的機制也發(fā)生于腎上腺髓質嗜鉻細胞瘤[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的調控

除了經典mTOR通路，SiNPs還通過調控其他一些機制激活自噬，例如氧化應激。一般體內活性氧(ROS)參與調節(jié)細胞生理狀態(tài)，還與疾病的發(fā)病機制相關，如果產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/內皮型一氧化氮合酶(eNOS)信號軸、內質網應激、細胞外信號調節(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)，但過度的細胞內外刺激使得自噬異常活化，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暴露使人臍靜脈內皮細胞產生大量ROS，不僅激活內皮細胞自噬，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誘導內皮細胞的自噬激活，破壞細胞的動態(tài)平衡，觸發(fā)血管內皮生長因子受體-2下調，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構，產生大量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，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，促炎性介質產生、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

大量研究證實SiNPs能引起自噬，誘導自噬的機制及細胞結局因表面修飾、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，易被細胞內化，進而引起細胞自噬，導致各類疾病如神經系統(tǒng)退行性疾??；但另一方面，SiNPs調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]。