吸入的二氧化鈰納米顆粒在“疾病活動(dòng)期”對(duì)肺損傷進(jìn)程的調(diào)節(jié)作用

納米材料的環(huán)境與健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估通�；�于健康個(gè)體模型，但現(xiàn)實(shí)中數(shù)十億人患有慢性呼吸系統(tǒng)疾病。本研究首次系統(tǒng)探究了吸入的二氧化鈰納米顆粒在“疾病活動(dòng)期”對(duì)肺損傷進(jìn)程的調(diào)節(jié)作用。

研究發(fā)現(xiàn)，CeO₂ NPs對(duì)博來(lái)霉素誘導(dǎo)的肺損傷具有背景依賴性的雙重效應(yīng)：在疾病早期（1周），CeO₂ NPs暴露減輕了纖維化程度，下調(diào)了與炎癥和上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān)的基因表達(dá)，表現(xiàn)出潛在的保護(hù)作用；而在疾病后期（2周）或高劑量暴露下，CeO₂ NPs則加劇了肺部損傷。

這一發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)“納米顆粒毒性”的簡(jiǎn)單二元判斷，提示納米材料風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估必須考慮暴露時(shí)機(jī)與宿主疾病狀態(tài)的交互作用。

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研究背景
被忽視的現(xiàn)實(shí)
全球有數(shù)億人患有慢性阻塞性肺病、哮喘、肺纖維化等呼吸系統(tǒng)疾病。然而，現(xiàn)行的納米材料安全性評(píng)估幾乎全部基于健康動(dòng)物模型。

這種“健康假設(shè)”與真實(shí)世界存在巨大鴻溝——當(dāng)已經(jīng)受損的肺遭遇吸入的納米顆粒，會(huì)發(fā)生什么？

二氧化鈰的雙面人生

CeO₂ NPs因其獨(dú)特的氧化還原催化性能，被廣泛應(yīng)用于：

• 環(huán)境領(lǐng)域：作為柴油添加劑，減少尾氣有害排放

• 生物醫(yī)學(xué)：因其抗氧化特性，被視為治療氧化應(yīng)激相關(guān)疾病的潛在藥物載體

然而，CeO₂ NPs也是一把“雙刃劍”。它們?cè)诃h(huán)境空氣中（尤其是道路附近）被廣泛檢出，可經(jīng)吸入進(jìn)入肺部，長(zhǎng)期滯留并引發(fā)炎癥和纖維化。

核心問題：當(dāng)CeO₂ NPs進(jìn)入一個(gè)已經(jīng)處于疾病狀態(tài)的肺，它們是加劇損傷，還是發(fā)揮抗氧化保護(hù)作用？

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研究方法
動(dòng)物模型 + 人體細(xì)胞模型的“雙軌驗(yàn)證”
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

• 模型建立：雄性SD大鼠經(jīng)氣管滴注博來(lái)霉素，建立肺損傷和纖維化模型

• 暴露方案：口鼻吸入CeO₂ NP氣溶膠（直徑~43 nm），每天3小時(shí)，每周4天，持續(xù)1或2周

• 對(duì)照設(shè)置：設(shè)對(duì)照組、單獨(dú)CeO₂暴露組、單獨(dú)博來(lái)霉素組、博來(lái)霉素+CeO₂聯(lián)合暴露組

• 檢測(cè)指標(biāo)：支氣管肺泡灌洗液細(xì)胞學(xué)、肺組織病理學(xué)、Masson染色纖維化評(píng)估、全轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

體外驗(yàn)證：氣液界面暴露模型

為在細(xì)胞水平驗(yàn)證機(jī)制，研究采用AE-ALI系統(tǒng)，將3D人小氣道上皮細(xì)胞培養(yǎng)物（SmallAir™）在氣液界面暴露于CeO₂ NP氣溶膠（直徑~86 nm），沉積劑量與體內(nèi)小氣道劑量相匹配。

技術(shù)亮點(diǎn)：通過MPPD模型精確計(jì)算體內(nèi)小氣道沉積劑量，指導(dǎo)體外暴露劑量設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)外數(shù)據(jù)的可比性。

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核心發(fā)現(xiàn)

核心發(fā)現(xiàn)一：體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中CeO₂ NPs的“時(shí)間依賴性”調(diào)節(jié)效應(yīng)
1周暴露：CeO₂ NPs減輕博來(lái)霉素誘導(dǎo)的肺損傷

在博來(lái)霉素給藥后立即開始CeO₂ NP暴露1周，研究發(fā)現(xiàn)：

• 細(xì)胞學(xué)改變：博來(lái)霉素組BAL總細(xì)胞數(shù)和中性粒細(xì)胞顯著升高，聯(lián)合暴露組進(jìn)一步升高，提示CeO₂ NPs可能促進(jìn)炎癥細(xì)胞募集

• 病理學(xué)改善：令人驚訝的是，聯(lián)合暴露組的肺損傷評(píng)分顯著低于單獨(dú)博來(lái)霉素組，組織病理學(xué)改變減輕

• 纖維化減輕：Masson染色顯示，博來(lái)霉素組纖維化面積達(dá)15%，而聯(lián)合暴露組纖維化染色顯著減少

• 轉(zhuǎn)錄組調(diào)控：RNA測(cè)序顯示，博來(lái)霉素誘導(dǎo)的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化相關(guān)基因（Fn1、TGFβ-3、Col12a1）上調(diào)，在聯(lián)合暴露組中被逆轉(zhuǎn)

關(guān)鍵通路：基因集富集分析提示，CeO₂ NPs可能通過抑制EMT過程減輕纖維化進(jìn)展。

2周暴露：CeO₂ NPs的“反轉(zhuǎn)讓效應(yīng)”

當(dāng)暴露延長(zhǎng)至2周，情況發(fā)生逆轉(zhuǎn)：

• 博來(lái)霉素本身在14天時(shí)的毒性效應(yīng)已部分消退（符合博來(lái)霉素?fù)p傷的自限性特征）

• 但在博來(lái)霉素+CeO₂聯(lián)合暴露組，纖維化染色顯著增加，且分布更均勻

• 轉(zhuǎn)錄組分析顯示，此時(shí)主要激活的是炎癥和免疫細(xì)胞通路

解讀：CeO₂ NPs對(duì)已建立的纖維化組織可能主要表現(xiàn)為其固有的促纖維化效應(yīng)，而非調(diào)節(jié)博來(lái)霉素誘導(dǎo)的過程。

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核心發(fā)現(xiàn)二：體外模型驗(yàn)證——細(xì)胞水平的“劑量依賴性”反應(yīng)

在AE-ALI暴露的SmallAir™細(xì)胞模型中：

• 細(xì)胞毒性：CeO₂ NP暴露劑量依賴性地增加LDH釋放

• 基因表達(dá)：

  • 博來(lái)霉素預(yù)處理顯著上調(diào)炎癥相關(guān)基因（CXCL1、IL-8）和FN1

  • CeO₂ NPs單獨(dú)暴露上調(diào)MUC5AC、TGFB3、FN1

  • 聯(lián)合暴露下，TGFB3在低劑量時(shí)顯著下調(diào)，高劑量時(shí)無(wú)此效應(yīng)

體外發(fā)現(xiàn)的意義：部分驗(yàn)證了體內(nèi)觀察到的CeO₂ NPs對(duì)博來(lái)霉素誘導(dǎo)反應(yīng)的調(diào)節(jié)作用，但也暴露出體外模型的局限性——無(wú)法完全復(fù)現(xiàn)體內(nèi)復(fù)雜的多細(xì)胞相互作用和長(zhǎng)期病理進(jìn)程。

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機(jī)制探討

CeO₂ NPs如何發(fā)揮“雙面”效應(yīng)？
氧化還原活性的兩面性

CeO₂ NPs表面存在Ce³⁺/Ce⁴⁺的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，使其既能清除自由基（抗氧化），也能產(chǎn)生活性氧（促氧化）。這種“氧化還原開關(guān)”特性，使其作用高度依賴于局部微環(huán)境。

EMT通路的調(diào)控

本研究中，1周暴露組CeO₂ NPs顯著逆轉(zhuǎn)了博來(lái)霉素誘導(dǎo)的EMT相關(guān)基因上調(diào)。EMT是組織纖維化的關(guān)鍵啟動(dòng)步驟，抑制EMT可能是CeO₂ NPs早期保護(hù)效應(yīng)的核心機(jī)制。

時(shí)間窗口的關(guān)鍵性

博來(lái)霉素誘導(dǎo)的肺損傷呈現(xiàn)急性炎癥期（7天）→纖維化期（14天+） 的動(dòng)態(tài)演變。CeO₂ NPs在炎癥期介入可能通過抗氧化、抗炎機(jī)制減輕后續(xù)纖維化；而在纖維化期介入，則可能因其顆粒本身的促纖維化特性而疊加損傷。

 

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研究啟示
對(duì)納米毒理學(xué)的啟示

“納米材料的安全性不是一個(gè)固定屬性，而是暴露情境的函數(shù)。”

本研究清晰表明，在健康模型中評(píng)估為“有毒”的納米材料，在疾病模型中可能表現(xiàn)出保護(hù)作用；反之亦然。未來(lái)的危害評(píng)估必須納入：

• 宿主疾病狀態(tài)（健康 vs. 患�。�

• 暴露時(shí)機(jī)（疾病早期 vs. 晚期）

• 劑量累積效應(yīng)

對(duì)納米醫(yī)學(xué)的啟示

CeO₂ NPs曾被廣泛研究作為抗氧化治療載體。本研究發(fā)現(xiàn)其在疾病早期具有保護(hù)效應(yīng)，為靶向遞送抗纖維化藥物提供了新思路。但需警惕高劑量或長(zhǎng)期暴露可能產(chǎn)生的反作用。

對(duì)體外替代方法的啟示

本研究使用了AE-ALI系統(tǒng)將3D人小氣道上皮細(xì)胞暴露于氣溶膠，實(shí)現(xiàn)了與體內(nèi)劑量的匹配。這是推動(dòng)新方法學(xué)發(fā)展的重要嘗試。然而，體外模型難以模擬EMT、纖維化等需要多細(xì)胞參與的長(zhǎng)期病理過程，未來(lái)需發(fā)展共培養(yǎng)系統(tǒng)和慢性暴露模型。

 

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研究設(shè)備
研究設(shè)備：精準(zhǔn)暴露的技術(shù)基石

本研究的可靠性，高度依賴于精準(zhǔn)可控的吸入暴露系統(tǒng)。

體內(nèi)暴露系統(tǒng)

研究采用口鼻吸入暴露系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)：

• 氣溶膠濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋控制

• 粒徑分布在線測(cè)量（SMPS）

• 溫度、濕度精確調(diào)節(jié)

• 長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的自動(dòng)化暴露運(yùn)行

體外暴露系統(tǒng)：AE-ALI

體外部分使用的AE-ALI系統(tǒng)具備以下核心優(yōu)勢(shì)：

• 氣溶膠發(fā)生：TSI恒輸出霧化器產(chǎn)生穩(wěn)定CeO₂ NP氣溶膠

• 暴露平臺(tái)：CULTEX RFS徑向流系統(tǒng)，確保多個(gè)暴露孔間氣溶膠均一性變異系數(shù)≤5%

• 沉積效率優(yōu)化：通過靜電沉淀增強(qiáng)沉積，并實(shí)測(cè)沉積劑量（ICP-MS）

• 系統(tǒng)對(duì)照：嚴(yán)格評(píng)估單純空氣/水流對(duì)細(xì)胞的影響，排除系統(tǒng)干擾

正是這樣的精密設(shè)備，才使得體內(nèi)外劑量匹配、機(jī)制比較成為可能。

德伯科技深耕吸入暴露領(lǐng)域，可為這類前沿研究提供完整的國(guó)產(chǎn)化解決方案，覆蓋從動(dòng)物到細(xì)胞的全鏈條暴露需求。

體內(nèi)暴露系統(tǒng)：德伯口鼻吸入暴露系統(tǒng)

本研究采用的口鼻吸入暴露方式，是大鼠吸入毒理研究的金標(biāo)準(zhǔn)。德伯科技自主研發(fā)的口鼻吸入暴露系統(tǒng)，具備以下核心優(yōu)勢(shì)：

• 氣溶膠穩(wěn)定性：系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋控制氣溶膠濃度，確保長(zhǎng)達(dá)數(shù)周的每日暴露中，濃度波動(dòng)控制在極小范圍內(nèi)，完全滿足本研究對(duì)CeO₂ NP氣溶膠（直徑~43 nm）長(zhǎng)期穩(wěn)定暴露的要求

• 粒徑分布可控：集成SMPS在線粒徑監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)掌握氣溶膠粒徑變化，為MPPD模型劑量計(jì)算提供精準(zhǔn)輸入

• 多通道設(shè)計(jì)：支持同時(shí)暴露多只動(dòng)物，保證組間暴露條件的一致性，變異系數(shù)低

• 自動(dòng)化運(yùn)行：支持每日定時(shí)自動(dòng)暴露，無(wú)需人工值守，大幅提升實(shí)驗(yàn)效率

• 廢氣處理：高效過濾系統(tǒng)，確保實(shí)驗(yàn)安全

 

體外暴露系統(tǒng)：德伯細(xì)胞氣液界面暴露系統(tǒng)（ACP系列）

• ACP3/6/16系列：提供3、6、16通道的靈活配置，各通道間氣溶膠均一性變異系數(shù)≤5%，確保平行對(duì)照的可靠性

• 精準(zhǔn)劑量控制：通過優(yōu)化氣路設(shè)計(jì)和可選配的靜電沉積模塊，可實(shí)現(xiàn)沉積劑量的精確控制，并支持通過ICP-MS等方式實(shí)測(cè)沉積量，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)外劑量匹配

• 穩(wěn)定的暴露環(huán)境：精確控制溫度（37±0.1℃）、濕度（≥95%），完美復(fù)刻人體氣道微環(huán)境

• 全自動(dòng)軟件控制：支持氣密性檢測(cè)、培養(yǎng)基自動(dòng)加注、實(shí)驗(yàn)程序編輯、自動(dòng)清洗等功能，實(shí)驗(yàn)全程可追溯

• 兼容多種氣溶膠：配合Collison霧化發(fā)生器，可穩(wěn)定產(chǎn)生納米顆粒氣溶膠、生物氣溶膠、煙霧等多種暴露物質(zhì)

 

完整解決方案

德伯科技致力于為吸入毒理學(xué)研究提供從氣溶膠發(fā)生、暴露控制到數(shù)據(jù)分析的全鏈條解決方案。無(wú)論是如本研究所需的納米顆粒氣溶膠，還是香煙煙霧、生物氣溶膠、粉塵顆粒物，我們都能提供匹配的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備與技術(shù)支持。

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結(jié)語(yǔ)

這項(xiàng)發(fā)表于《Particle and Fibre Toxicology》的研究，首次系統(tǒng)揭示了吸入的CeO₂ NPs在博來(lái)霉素誘導(dǎo)的肺損傷模型中的時(shí)間依賴性調(diào)節(jié)效應(yīng)。

它提醒我們：在真實(shí)世界中，暴露于納米材料的個(gè)體可能并非“健康人”，而是帶著各種基礎(chǔ)疾病的脆弱人群。納米材料的安全評(píng)估，需要走出“健康模型”的舒適區(qū)，擁抱更復(fù)雜、更真實(shí)的暴露情境。

而對(duì)于致力于吸入毒理學(xué)研究的科研工作者，一臺(tái)能夠精準(zhǔn)控制暴露條件、實(shí)現(xiàn)體內(nèi)外劑量匹配的暴露系統(tǒng)，正是打開這扇復(fù)雜之門的鑰匙。

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文獻(xiàn)來(lái)源

Guo, C., Buckley, A., Robertson, S. et al. Modulatory effects of CeO2 nanoparticles on bleomycin-induced active pulmonary disease processes in animal and human airway epithelium models. Part Fibre Toxicol 23, 5 (2026).