合成納米材料對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的影響

時(shí)曉麗，沙蕊，彭漢勇，溫蓓,3,*

1.晉中學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)系，晉中 030619

2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境化學(xué)和生態(tài)毒理學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

合成納米材料(ENMs)是指在三維空間中至少有一個(gè)維度或內(nèi)部結(jié)構(gòu)在納米尺度(1～100 nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，相當(dāng)于10～1 000個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。由于合成納米材料具有獨(dú)特的物理化學(xué)特性，已被廣泛應(yīng)用于能源、電子、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)、化妝品和醫(yī)藥等領(lǐng)域[1]。例如，每年生產(chǎn)3 000 t二氧化鈦(TiO2)納米粒子，其中50%以上用于防曬霜等個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品[2-3]。合成納米材料也被作為藥物或成像探針載體，用于診斷和治療腦神經(jīng)失調(diào)等多種疾病，如脂質(zhì)體、樹(shù)狀大分子、金屬納米粒子、碳納米管和量子點(diǎn)等[1]。

隨著合成納米材料的大量生產(chǎn)和使用，在環(huán)境中的含量急劇增加，部分合成納米材料在粉塵和煙霧中以超細(xì)顆粒物的形式長(zhǎng)期存在[4]，其安全問(wèn)題引起公眾的廣泛關(guān)注。由于合成納米材料的體積較小，極易進(jìn)入并長(zhǎng)期停留在機(jī)體外周組織中，與活體組織和細(xì)胞相互作用，發(fā)生構(gòu)象變化，誘導(dǎo)組織和細(xì)胞的功能發(fā)生改變[5]。研究發(fā)現(xiàn)合成納米材料可以穿過(guò)或繞過(guò)血腦屏障(BBB)，進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)，引起血腦屏障和神經(jīng)遞質(zhì)功能障礙、神經(jīng)退行性病變及認(rèn)知學(xué)習(xí)和記憶功能障礙進(jìn)而誘發(fā)神經(jīng)毒性[6]。由于神經(jīng)組織發(fā)揮生理功能的條件要求嚴(yán)格，且神經(jīng)元細(xì)胞難以再生的特點(diǎn)，使得神經(jīng)毒性成為合成納米材料研究的關(guān)注熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

合成納米材料的神經(jīng)毒性分子機(jī)制仍在探索中，目前已報(bào)道的研究工作主要涉及氧化應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或自噬、免疫反應(yīng)和炎癥等，不同合成納米材料通過(guò)激活特定的信號(hào)通路來(lái)影響神經(jīng)細(xì)胞的功能。但合成納米材料神經(jīng)毒性研究亟需進(jìn)一步拓展和深入。本文綜述了合成納米材料和靶細(xì)胞(特別是神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞)之間相互作用的分子機(jī)制，并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展方向作了展望。

1 影響合成納米材料毒性的因素(Factors influencing toxicity of ENMs)

合成納米材料由于其材料尺寸在納米級(jí)，產(chǎn)生了不同的光、熱、電、磁和力等性質(zhì)，如吸附、分散、比表面積、表面活性以及催化性能等[7]。合成納米材料按化學(xué)成分可分為碳納米材料、無(wú)機(jī)納米材料、有機(jī)納米材料和雜化納米材料等[8]，其毒性主要取決于化學(xué)組成、尺寸、形狀、表面性質(zhì)(電荷、表面涂層等)、濃度和降解性能等參數(shù)[9]。以下部分簡(jiǎn)述了影響合成納米材料毒性的主要影響因素。

1.1 尺寸和形狀

納米材料的尺寸影響其進(jìn)入細(xì)胞及與機(jī)體作用的方式和毒性效應(yīng)。合成納米材料(特別是過(guò)渡金屬及金屬氧化物納米粒子)表面的電子供體或受體與分子氧反應(yīng)生成超氧自由基或羥基自由基，進(jìn)而氧化其他生物分子，顆粒尺寸越小活性氧(ROS)的生成量越高。>50 nm合成納米材料則通過(guò)吞噬作用進(jìn)入細(xì)胞，而幾納米到幾百納米的合成納米材料通過(guò)胞飲或大型胞飲作用內(nèi)化，網(wǎng)格蛋白依賴(lài)的胞吞作用可能是細(xì)胞攝取<100 nm合成納米材料的主要機(jī)制[10]。Park等[11]發(fā)現(xiàn)粒徑較小的納米銀顆粒(<71 nm)能夠被小腸吸收通過(guò)血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入腦、肺、肝和腎等器官，而粒徑較大的顆粒(323 nm)無(wú)法被小腸吸收。合成納米材料的形狀和長(zhǎng)徑比是影響其毒性的關(guān)鍵因素。合成納米材料具有球狀、平板狀、管狀、環(huán)形和纖維狀等多種形狀。與纖維狀和桿狀合成納米材料相比，球形合成納米材料更易被細(xì)胞胞吞[12]。Chithrani等[13]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞對(duì)合成納米材料的吸收率與形狀有關(guān)，細(xì)胞對(duì)球形納米金(74 nm或14 nm)的吸收率分別比金納米棒(74 nm×14 nm)的高500%和375%。

1.2 表面性質(zhì)

合成納米材料表面電荷影響其與生物大分子(如蛋白質(zhì)等)的相互作用，從而產(chǎn)生不同的吸收、排出速率和組織分布[7]。通過(guò)調(diào)節(jié)合成納米材料的表面電荷能夠影響細(xì)胞對(duì)合成納米材料的吞噬作用。例如，帶正電荷的合成納米材料更容易穿過(guò)帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜，細(xì)胞攝入量更高。與中性合成納米材料相比，帶正電荷的合成納米材料可迅速?gòu)难褐斜痪奘杉?xì)胞清除[14]。與聚對(duì)苯乙烯磺酸鈉(PSS)或十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)修飾的金納米棒相比，聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDAC)修飾的金納米棒在MCF-7細(xì)胞中攝取量最高[15]。同時(shí)，合成納米材料表面修飾能夠降低合成納米材料團(tuán)聚，延緩其降解速率并抑制蛋白冠的形成，進(jìn)而增加其生物利用度。Li等[16]發(fā)現(xiàn)組成和大小相同的L-谷胱甘肽或D-谷胱甘肽修飾的DdTe量子點(diǎn)(L/D-GSH-QDs)對(duì)細(xì)胞毒性存在差異，D-GSH-QDs的毒性低于L-GSH-QDs的。

1.3 金屬納米材料的溶解和金屬離子的釋放

金屬納米材料在組織和器官內(nèi)會(huì)被溶解，產(chǎn)生的離子影響其細(xì)胞毒性。二氧化硅(SiO2)納米粒子能夠進(jìn)入人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞HUVEC的胞漿和溶酶體，并溶解生成Si離子而排出胞外[17]。氧化鐵納米顆粒(IONPs)在體內(nèi)代謝產(chǎn)生鐵離子，與血紅蛋白結(jié)合進(jìn)入紅細(xì)胞。γ-Fe2O3磁性納米粒子(MNPs)與間充質(zhì)干細(xì)胞溫育1個(gè)月，通過(guò)透射電鏡(TEM)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)大部分鐵粒子溶解成較小的鐵蛋白[18]，該蛋白在人體內(nèi)調(diào)節(jié)鐵含量方面起著重要作用[14]。Qu等[19]通過(guò)同步輻射技術(shù)(X射線(xiàn)原位微區(qū)元素成像)結(jié)合化學(xué)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究量子點(diǎn)在秀麗線(xiàn)蟲(chóng)體內(nèi)代謝與溶解過(guò)程，發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)經(jīng)飲食攝入的方式進(jìn)入消化系統(tǒng)，被內(nèi)皮細(xì)胞攝取并定位于溶酶體，且能夠從消化系統(tǒng)遷移進(jìn)入生殖系統(tǒng)，同時(shí)量子點(diǎn)芯殼結(jié)構(gòu)破壞釋放出有毒鎘離子，進(jìn)一步導(dǎo)致生殖障礙和發(fā)育異常。Gliga等[20]發(fā)現(xiàn)10 nm檸檬酸鹽包被AgNPs處理培養(yǎng)基4 h，其Ag+釋放量為10.6%，顯著高于10 nm PVP包被AgNPs的Ag+釋放量(5.8%)。

2 合成納米材料進(jìn)入血腦屏障的攝取機(jī)制和轉(zhuǎn)運(yùn)途徑(Uptake mechanism and transport pathways of ENMs in the blood-brain barrier)

血腦屏障(BBB)允許親脂性分子、O2和CO2的自由擴(kuò)散和運(yùn)輸，而其他化合物主要通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)體或受體介導(dǎo)的胞吞作用進(jìn)入大腦[22]。體內(nèi)和體外研究均證實(shí)合成納米材料可以經(jīng)口服或注射的方式通過(guò)腦毛細(xì)血管內(nèi)皮細(xì)胞上一系列轉(zhuǎn)運(yùn)體或受體跨過(guò)血腦屏障進(jìn)入大腦，或經(jīng)呼吸道通過(guò)鼻上皮進(jìn)入嗅球繞過(guò)血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)[5,23-24]。通過(guò)對(duì)懷孕小鼠靜脈注射70 nm SiO2和35 nm TiO2納米粒子，發(fā)現(xiàn)合成納米材料能夠穿過(guò)懷孕小鼠的胎盤(pán)屏障進(jìn)入子鼠的胎盤(pán)、大腦和肝臟[25]。Korzeniowska等[26]采用永生化腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞(hCMEC/D3)和原代星形膠質(zhì)細(xì)胞為細(xì)胞模型，研究納米銀和納米鉑共同暴露對(duì)人腦細(xì)胞的影響，納米銀和納米鉑共暴露毒性大于單獨(dú)暴露納米銀，且能夠增強(qiáng)BBB的滲透性。TiO2納米粒子能夠誘導(dǎo)斑馬魚(yú)幼魚(yú)和PC12細(xì)胞出現(xiàn)帕金森樣癥狀，導(dǎo)致孵化過(guò)早并干擾其運(yùn)動(dòng)，并能夠誘導(dǎo)斑馬魚(yú)腦組織中ROS生成，導(dǎo)致下丘腦區(qū)域細(xì)胞死亡[27]。石墨烯基納米粒子神經(jīng)毒性在多種生物模型中均有報(bào)道，如人類(lèi)神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞(SH-SY5Y和SK-N-SH)[28-29]、膠質(zhì)細(xì)胞[30-31]、秀麗隱桿線(xiàn)蟲(chóng)[32]、斑馬魚(yú)[33]和小鼠[34]等。

合成納米材料通過(guò)跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)、細(xì)胞旁途徑、受體介導(dǎo)的胞吞作用(帶有轉(zhuǎn)鐵蛋白、胰島素或載脂蛋白E(Apo E)等配體的合成納米材料)、吸附介導(dǎo)的胞吞作用(帶正電荷的合成納米材料)和細(xì)胞(巨噬細(xì)胞)介導(dǎo)的胞吞作用等不同方式跨過(guò)血腦屏障(圖1)，沉積在嗅球、海馬、大腦皮層和紋狀體等不同的大腦區(qū)域[21,35-36]。人工納米脂粒表面富含Apo E分子能夠與血腦屏障上過(guò)表達(dá)的低密度脂蛋白(LDL)受體之間特異性識(shí)別，經(jīng)網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的胞吞作用將合成納米材料攝入細(xì)胞，通過(guò)跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)途徑穿過(guò)BBB[37]。Mendon?a等[38]采用基質(zhì)輔助激光解吸電離質(zhì)譜成像(MALDI-MSI)表征還原氧化石墨烯在大鼠大腦中的時(shí)空分布，發(fā)現(xiàn)還原氧化石墨烯通過(guò)細(xì)胞旁途徑進(jìn)入BBB。Liu等[39]通過(guò)體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)SiO2納米粒子通過(guò)ROS和ROCK/JNK介導(dǎo)的信號(hào)通路誘導(dǎo)緊密連接喪失和細(xì)胞骨架重排，進(jìn)而干擾BBB結(jié)構(gòu)和功能。Kafa等[40]采用一種低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白-1(LRP1)的配體angiopep-2(ANG)，作為一種靶向多壁碳納米管腦傳遞配體，能夠顯著提高多壁碳納米管的血腦屏障轉(zhuǎn)運(yùn)。Huang等[41]采用乳鐵蛋白(Lf)修飾樹(shù)枝狀陽(yáng)離子納米粒子的腦靶向配體，發(fā)現(xiàn)受體介導(dǎo)和吸附介導(dǎo)的胞吞作用有助于Lf修飾的納米粒子跨過(guò)BBB。除此之外，巨噬細(xì)胞能夠吞噬血液中的合成納米材料，通過(guò)血腦屏障釋放合成納米材料進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)[21]。

圖1 不同物理化學(xué)性質(zhì)的合成納米材料(ENMs)通過(guò)血腦屏障(BBB)的方式[21]注：ROS表示活性氧；RNS表示活性氮。Fig.1 Engineered nanomaterials (ENMs) with specific physicochemical properties could pass through the blood-brain barrier (BBB) by way of several different strategies[21]Note:ROS stands for reactive oxygen species;RNS stands for reactive nitrogen species.

在合成納米材料內(nèi)化過(guò)程開(kāi)始前，細(xì)胞膜是合成納米材料與細(xì)胞相互作用的第一個(gè)接觸部位，細(xì)胞膜上的脂質(zhì)和蛋白質(zhì)可能是其作用靶點(diǎn)。在神經(jīng)元(和膠質(zhì)細(xì)胞)的神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)激素受體中，轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)和通道轉(zhuǎn)運(yùn)是調(diào)節(jié)神經(jīng)元活動(dòng)和對(duì)外界刺激做出響應(yīng)的主要方式。合成納米材料能夠通過(guò)影響神經(jīng)元信號(hào)通路和其他參與神經(jīng)信號(hào)傳遞的相關(guān)蛋白表達(dá)而對(duì)細(xì)胞造成損傷。離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)控因子，目前在這方面的有關(guān)研究相對(duì)缺乏。Fe2O3納米粒子能夠抑制大鼠腦細(xì)胞內(nèi)的Na+-K+泵、Mg2+-ATPase和Ca2+-ATPase的活性[43]。TiO2納米粒子(5 nm，5～30 μg·mL-1)能夠降低大鼠海馬神經(jīng)元細(xì)胞的Na+-K+泵和Ca2+-ATPase的活性[44]。ZnO納米粒子(30 nm，2.5～10 μg·mL-1)也能夠降低大鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞質(zhì)膜上Ca2+-ATPase的活性[45]。AgNPs通過(guò)網(wǎng)格蛋白/胞膜窖依賴(lài)的胞吞作用或胞飲作用進(jìn)入細(xì)胞，經(jīng)囊泡運(yùn)輸進(jìn)入溶酶體，溶酶體內(nèi)的酸性環(huán)境導(dǎo)致AgNPs釋放Ag+[46]。一方面，AgNPs誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、堿化、滲透性腫脹或超負(fù)荷引起溶酶體膜滲透性改變，溶酶體膜完整性或酸度的喪失導(dǎo)致溶酶體功能障礙。AgNPs和Ag+從溶酶體逃逸到胞質(zhì)中。胞質(zhì)中的AgNPs和Ag+引起胞內(nèi)ROS水平增加，從而誘導(dǎo)細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)(如：內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、DNA損傷等)和細(xì)胞器損傷(線(xiàn)粒體功能障礙)。另一方面，AgNPs還可以引起質(zhì)膜的脂質(zhì)過(guò)氧化而破壞細(xì)胞膜系統(tǒng)的完整性，使其能夠直接穿過(guò)質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞。除此之外，AgNPs與蛋白質(zhì)巰基相互作用，導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生錯(cuò)誤折疊，進(jìn)而引發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。在ROS或應(yīng)激反應(yīng)和細(xì)胞器損傷協(xié)同作用下細(xì)胞自噬系統(tǒng)被激活。由于AgNPs誘導(dǎo)溶酶體發(fā)生損傷，溶酶體功能障礙與自噬體-溶酶體融合受阻密切相關(guān)，AgNPs中斷溶酶體途徑可能?chē)?yán)重干擾自噬機(jī)制的功能，由于自噬清除途徑無(wú)法發(fā)揮作用可能進(jìn)一步加劇AgNPs誘導(dǎo)的毒性[47](圖2)。

圖2 細(xì)胞攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)納米銀的途徑[42]Fig. 2 Uptake mechanism and transport pathways of silver nanoparticles[42]

3 合成納米材料誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的分子機(jī)制(Molecular mechanisms of neurotoxicity exerted by ENMs)

合成納米材料誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的主要分子機(jī)制包括氧化應(yīng)激、DNA損傷、炎癥反應(yīng)、自噬和凋亡等(圖3)。在多數(shù)情況下，合成納米材料通過(guò)多種機(jī)制共同產(chǎn)生神經(jīng)毒性。

圖3 合成納米材料(ENMs)誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的潛在分子機(jī)理[6]Fig. 3 Mechanisms of neurotoxicity induced by ENMs[6]

3.1 氧化應(yīng)激

圖4 合成納米材料誘導(dǎo)ROS產(chǎn)生的機(jī)制[21]Fig. 4 Mechanisms of ROS production induced by ENMs [21]

氧化應(yīng)激能夠增強(qiáng)血腦屏障的通透性，并誘導(dǎo)BBB產(chǎn)生炎癥。Liu等[39]發(fā)現(xiàn)SiO2納米粒子誘導(dǎo)腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞(BMECs)產(chǎn)生ROS，ROS通過(guò)下調(diào)緊密連接蛋白(CLDN5、OCLN等)來(lái)增加BBB的通透性，導(dǎo)致微管不穩(wěn)定而引發(fā)炎癥反應(yīng)。Nel等[9]認(rèn)為ROS的過(guò)量產(chǎn)生是導(dǎo)致氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的主要因素，低濃度ROS通過(guò)nrf-2轉(zhuǎn)錄因子激活細(xì)胞抗氧化元件，較高濃度ROS通過(guò)激活NF-κB信號(hào)通路進(jìn)而引起炎癥反應(yīng)，更高濃度ROS則啟動(dòng)細(xì)胞凋亡程序。此外，合成納米材料能夠誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生ROS，并對(duì)周?chē)纳窠?jīng)元造成損傷[21,58]。合成納米材料能夠激活小膠質(zhì)細(xì)胞和NLRP3炎性小體而觸發(fā)炎癥反應(yīng)，該反應(yīng)是由ROS和NF-κB信號(hào)通路激活介導(dǎo)的[6]。

合成納米材料通過(guò)胞飲和網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的胞吞作用進(jìn)入細(xì)胞，經(jīng)胞吞-溶酶體途徑轉(zhuǎn)移到溶酶體，誘導(dǎo)線(xiàn)粒體ROS的產(chǎn)生從而導(dǎo)致溶酶體破裂，激活NLR家族的NLRP3炎性小體，調(diào)節(jié)促炎細(xì)胞因子的釋放(如IL-1β)[58-61]。30 nm TiO2納米粒子(5 μmol·L-1)能夠進(jìn)入溶酶體等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生和促炎細(xì)胞因子IL-1β的表達(dá)發(fā)生改變[62]。45 nm氧化鐵納米粒子(3 mmol·L-1)能夠在小膠質(zhì)細(xì)胞的溶酶體中大量積累，對(duì)小膠質(zhì)細(xì)胞的毒性遠(yuǎn)高于對(duì)神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的毒性[63]。合成納米材料能夠激活小膠質(zhì)細(xì)胞，使小膠質(zhì)細(xì)胞的形態(tài)由分枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形巨噬細(xì)胞樣并產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子，如白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子蛋白家族和炎癥趨化因子等[21]，還能激活小膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞膜上的Toll樣受體(Toll-like receptors,TLR)，如TLR2、TLR4，活化的TLRs進(jìn)一步激活NF-κB信號(hào)通路導(dǎo)致炎癥因子的釋放[64]。與此同時(shí)，合成納米材料也可以通過(guò)抑制MAPK磷酸酶活性而激活ERK1/2導(dǎo)致炎癥細(xì)胞因子的釋放。

3.2 DNA損傷

合成納米材料誘導(dǎo)DNA損傷的方式有2種，一種是合成納米材料進(jìn)入細(xì)胞核直接作用于DNA或DNA相關(guān)蛋白，另一種是由ROS和炎癥引起的DNA損傷[21]。El-Ghor等[65]發(fā)現(xiàn)TiO2納米粒子能夠誘導(dǎo)小鼠大腦發(fā)生DNA損傷。AgNPs能夠下調(diào)參與DNA損傷反應(yīng)/修復(fù)系統(tǒng)基因的表達(dá)水平(XRCC1、XRCC13、FEN1、RAD51C和RPA1等)[66]。AgNPs(100 nm)通過(guò)PAK、MAPK和PPP2A途徑間接誘導(dǎo)DNA損傷和細(xì)胞凋亡[67]。CdTe量子點(diǎn)(QDs)通過(guò)提高小膠質(zhì)細(xì)胞BV-2胞內(nèi)鎘(Cd)離子濃度誘導(dǎo)ROS的生成而間接導(dǎo)致DNA損傷[68]。ZnO納米粒子能夠誘導(dǎo)SH-SY5Y細(xì)胞DNA氧化損傷和H2AX磷酸化，即DNA雙鏈斷裂[69]。DNA損傷導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯，為DNA修復(fù)系統(tǒng)提供充足的時(shí)間，而低效的DNA修復(fù)能夠進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Valdiglesias等[70]發(fā)現(xiàn)TiO2納米粒子能夠誘導(dǎo)SH-SY5Y細(xì)胞產(chǎn)生微核和DNA雙鏈斷裂，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

3.3 細(xì)胞死亡

合成納米材料誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞死亡的途徑包括3個(gè)方面。(1)依賴(lài)于caspase的凋亡：死亡受體途徑、線(xiàn)粒體途徑和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑。(2)壞死：在TNFα作用下，RIP3通過(guò)與RIP1形成壞死復(fù)合體，介導(dǎo)caspase非依賴(lài)性細(xì)胞壞死。(3)自噬：通過(guò)PI3K-Akt-mTOR通路負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行調(diào)控[21]。

合成納米材料誘導(dǎo)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞凋亡涉及多條信號(hào)通路。MAPKs是絲氨酸/蘇氨酸激酶家族，包括JNK(c-Jun氨基末端激酶)、ERK(胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶)、p38 MAPK，參與細(xì)胞的發(fā)育、增殖、分化和凋亡。ZnO納米粒子通過(guò)JNK信號(hào)通路和線(xiàn)粒體內(nèi)源性凋亡途徑來(lái)誘導(dǎo)原代星形膠質(zhì)細(xì)胞的凋亡[71]，也能夠誘導(dǎo)小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的ERK發(fā)生磷酸化，釋放細(xì)胞色素c到細(xì)胞質(zhì)，激活caspase-9(內(nèi)源性凋亡通路的生物標(biāo)志物)，還能夠誘導(dǎo)p38 MAPK的磷酸化，激活caspase-8和caspase-3，進(jìn)而導(dǎo)致PARP的裂解[31]。TiO2納米粒子能夠誘導(dǎo)C6和U373小膠質(zhì)細(xì)胞ROS生成量增加，進(jìn)而誘發(fā)炎癥和細(xì)胞凋亡[51]。Zhang等[72]研究發(fā)現(xiàn)AgNPs誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過(guò)程中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激起著重要的調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激標(biāo)志物的變化，如PERK、eIF2α、IRE1的磷酸化、XBP-1的剪接、ATF6(內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激傳感器)的裂解、Grp-78和CHOP/GADD153蛋白表達(dá)水平的上調(diào)。其中，ATF6在AgNPs誘導(dǎo)細(xì)胞焦亡過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用[73]。由多種合成納米材料(如聚苯乙烯納米粒子、TiO2納米粒子、Al2O3納米粒子和Fe3O4納米粒子)誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可以介導(dǎo)自噬激活。PERK依賴(lài)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑可能是自噬和凋亡的交互作用機(jī)制的基礎(chǔ)[47]。壞死是一種非依賴(lài)于caspase的細(xì)胞死亡途徑。氧化鋁納米粒子能夠誘導(dǎo)ICR小鼠海馬細(xì)胞壞死和凋亡，其中壞死是導(dǎo)致ICR小鼠神經(jīng)行為缺陷的直接原因[74]。Sun等[75]發(fā)現(xiàn)Ag+對(duì)大鼠腦星形膠質(zhì)細(xì)胞的毒性顯著高于AgNPs，Ag+損壞細(xì)胞膜的完整性進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞壞死，而AgNPs通過(guò)增強(qiáng)caspase的活性從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。合成納米材料誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞壞死及其作用機(jī)制有待更深入的研究。

自噬是一種合成納米材料的潛在毒性作用機(jī)制[76]，但有關(guān)合成納米材料與神經(jīng)毒性關(guān)系的研究報(bào)道非常有限。納米金能夠增加人胚肺成纖維細(xì)胞(MRC-5)中自噬相關(guān)蛋白的表達(dá)水平，同時(shí)生成過(guò)量的丙二醛(MDA)[77]。SiO2納米粒子通過(guò)抑制自噬特異性蛋白的磷酸化和PI3K-Akt-mTOR信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)PC12細(xì)胞自噬[54]。ZnO納米粒子能夠誘導(dǎo)PINK1/parkin介導(dǎo)的選擇性線(xiàn)粒體自噬過(guò)程，parkin蛋白從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到線(xiàn)粒體以及PINK1蛋白表達(dá)水平的下調(diào)，從而導(dǎo)致線(xiàn)粒體自噬的發(fā)生[29]，而線(xiàn)粒體功能障礙與多種神經(jīng)退行性疾病有關(guān)[6]。AgNPs能夠誘導(dǎo)阻斷自噬通量，引發(fā)自噬小體積累，從而在細(xì)胞和機(jī)體水平上加劇AgNPs誘導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)失衡[47]。氧化鐵納米粒子和TiO2納米粒子誘導(dǎo)人大腦內(nèi)皮細(xì)胞(HCECs)發(fā)生自噬，同時(shí)產(chǎn)生氧化應(yīng)激和DNA斷裂[78]。

3.4 DNA甲基化

阿爾茲海默癥、亨丁頓舞蹈癥和肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等神經(jīng)退行性疾病均受到DNA甲基化的調(diào)控。神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞中興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(EAAT2)啟動(dòng)子的超甲基化導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞EAAT2的表達(dá)缺失，通過(guò)抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性能夠恢復(fù)EAAT2的轉(zhuǎn)錄。精神疾病與大腦中異常的DNA甲基化狀態(tài)有關(guān)[76]。合成納米材料引起DNA甲基化水平異常已有相關(guān)研究報(bào)道。SiO2納米粒子能夠降低人永生化角質(zhì)形成細(xì)胞HaCaT的整體DNA甲基化水平，并改變PARP-1啟動(dòng)子的甲基化狀態(tài)[79-80]。AgNPs和氧化石墨烯在A549和293T細(xì)胞中通過(guò)改變DNMT酶和TET(ten-eleven translocation)蛋白的濃度導(dǎo)致DNA整體甲基化水平的改變。TET蛋白可以催化5-甲基胞嘧啶(5-mC)轉(zhuǎn)化為5-羥甲基胞嘧啶(5-hmC)，是DNA去甲基化過(guò)程中的一種重要的酶。DNA的甲基化和去甲基化過(guò)程均易受合成納米材料暴露的影響[81]。然而，DNA甲基化在合成納米材料誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性中的作用有待進(jìn)一步研究。

4 總結(jié)與展望(Conclusion and perspectives)

合成納米材料穿過(guò)或繞過(guò)血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的過(guò)程，受到合成納米材料的化學(xué)組成、尺寸、表面性質(zhì)(電荷、表面涂層等)、形狀、濃度和降解性等性質(zhì)的影響。通過(guò)對(duì)多種不同類(lèi)型的合成納米材料的神經(jīng)毒性研究，揭示了一系列潛在的分子機(jī)制，包括氧化應(yīng)激、遺傳毒性、炎癥反應(yīng)、自噬和細(xì)胞凋亡、對(duì)細(xì)胞組分的直接損傷、DNA甲基化等。不同的毒性機(jī)制往往會(huì)協(xié)同產(chǎn)生，例如，氧化應(yīng)激會(huì)引發(fā)炎癥、DNA損傷和細(xì)胞凋亡等，DNA損傷也能夠?qū)е录?xì)胞凋亡。目前，合成納米材料神經(jīng)毒性的評(píng)價(jià)主要針對(duì)無(wú)機(jī)納米材料，如金屬及金屬氧化物納米材料、碳基納米材料，而有機(jī)納米材料的研究尚未開(kāi)展，如高分子納米粒子和脂質(zhì)體。在合成納米材料毒理研究中已發(fā)現(xiàn)的多種分子機(jī)制如細(xì)胞自噬、壞死以及DNA甲基化等，需要更多的研究證據(jù)。此外，合成納米材料在跨越BBB過(guò)程中，與生物分子作用形成蛋白冠，改變了合成納米材料的理化性質(zhì)，影響其轉(zhuǎn)運(yùn)途徑和產(chǎn)生毒性的機(jī)制，其表面蛋白冠組成對(duì)神經(jīng)毒性的影響亟需系統(tǒng)深入的研究。