基因调控稀土纳米颗粒生物转化：解锁纳米材料生物命运密码

为探究纳米颗粒生物转化的调控机制，研究人员开展了稀土氧化物（REO）纳米颗粒生物转化的相关研究。利用 CRISPR 基因编辑技术，发现 SMPD1 可调控 REO 在溶酶体中的生物转化，影响细胞毒性及炎症反应，为控制纳米材料生物命运提供新途径。

　　在纳米材料飞速发展的当下，工程纳米材料（ENMs）因尺寸与多数病毒相近，会被免疫细胞误吞，经内吞作用进入溶酶体消化。但 ENMs 在溶酶体中的生物转化过程复杂，会引发不同的细胞命运和生物效应。比如银纳米颗粒在人体 T 淋巴细胞内会转化为硫化银和硫醇银。目前虽有策略调控纳米颗粒命运，可遗传控制其生物转化却鲜有人研究。在此背景下，云南大学、南京大学等研究机构的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Nature Communications》上。该研究发现通过基因调控可改变稀土纳米颗粒的生物转化，进而影响其生物效应，这为控制纳米材料生物命运提供了新方向，在纳米技术的生物医学应用和毒理学评估方面意义重大。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 CRISPR 基因编辑技术，构建 CRISPR-Cas9 质粒文库，建立突变细胞池，筛选参与稀土氧化物（REO）纳米颗粒生物转化的基因。其次，利用透射电子显微镜（TEM）观察纳米颗粒的形态变化，结合能谱仪（EDX）分析颗粒成分；采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）定量分析金属和磷元素含量；运用蛋白质免疫印迹（Western blotting）检测相关蛋白表达。此外，通过细胞实验和动物实验，研究纳米颗粒对细胞和机体的影响。

下面来看具体的研究结果：

• La₂O₃纳米颗粒在溶酶体中的生物转化：研究人员构建金属氧化物（MOx）纳米颗粒库，将其暴露于吞噬溶酶体模拟液（PSF）中。发现 REO 纳米颗粒中的 La₂O₃会从棒状或球状转变为海胆状，而 TiO₂、Au、Ag 和 Fe₂O₃形态变化有限。经 XRD 检测，证实 La₂O₃在 PSF 中转化为六方相 LaPO₄，且该转化主要发生在溶酶体。进一步研究发现，La₂O₃的生物转化会导致溶酶体膜受损，释放组织蛋白酶 B，激活 NLRP3 炎性小体和半胱天冬酶 - 1（caspase-1），释放白细胞介素 - 1β（IL-1β），引发细胞焦亡和细胞毒性。而细胞摄取实验表明，生物转化而非细胞摄取是 REO 产生不良影响的原因。
• GeCKO 筛选确定参与 La₂O₃转化的基因：研究人员通过 GeCKO 筛选，在 THP-1 细胞中构建包含 64751 个 sgRNA 质粒的文库，靶向 18080 个人类基因。经筛选发现，SMPD1 基因在 La₂O₃处理后显著上调。SMPD1 编码酸性鞘磷脂酶（ASM），La₂O₃处理可诱导 ASM 表达增加，促进鞘磷脂水解生成神经酰胺和磷酸胆碱，同时 STRIN 网络分析显示 SMPD1 与细胞焦亡关键蛋白 GSDMD 密切相关。
• SMPD1 促进 La₂O₃纳米颗粒的生物转化和生物学效应：SMPD1 在溶酶体中为 La₂O₃的生物转化提供磷酸根。实验表明，在野生型和 SMPD1 基因敲除的 THP-1 细胞中，SMPD1 敲除会抑制 La₂O₃的转化，减少细胞内磷与镧元素的比例。同时，SMPD1 敲除可降低 La₂O₃诱导的组织蛋白酶 B 释放、caspase-1 激活、IL-1β 释放，提高细胞活力。在小鼠巨噬细胞 RAW 264.7 中，抑制 SMPD1 活性也能减轻 REO 诱导的不良效应。
• SMPD1 体内调控作用的验证：研究人员通过给正常和用去甲丙咪嗪（DPM）处理的小鼠暴露 La₂O₃纳米颗粒进行体内实验。结果显示，DPM 抑制 ASM 表达，进而抑制 La₂O₃在肺泡巨噬细胞溶酶体中的生物转化。此外，暴露 La₂O₃14 天后，小鼠支气管肺泡灌洗液（BALF）中 IL-1β 和转化生长因子 -β1（TGF-β1）水平升高，肺部出现炎症和纤维化，而抑制 ASM 可减轻这些不良影响。

研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了 SMPD1 在调控 La₂O₃纳米颗粒生物转化和不良效应中的关键作用。通过基因沉默 SMPD1 或化学抑制 ASM，可防止 La₂O₃纳米颗粒的溶酶体生物转化，减轻其对健康的不良影响。这一发现为控制 REO 纳米颗粒的生物转化提供了潜在靶点，也为开发预防和治疗稀土诱导的肺部疾病（如稀土尘肺病）的新策略提供了理论依据。此外，GeCKO 筛选技术为研究其他可生物转化的 ENMs 提供了有力工具，有助于进一步探索纳米材料生物转化的分子机制和调控途径，推动纳米技术在生物医学领域的安全应用。