大气污染中的纳米塑料可通过呼吸直接进入肺泡，并进一步穿透气血屏障进入血液循环系统。目前已有大量研究揭示了纳米塑料通过引发细胞氧化应激参与多种疾病过程。然而，由于缺乏肺泡处于动态呼吸条件下氧化应激反应的实时监测手段，获取纳米塑料诱导的肺泡细胞氧化应激动态信息仍然存在挑战。

近日，武汉大学化学与分子科学学院黄卫华教授和刘艳玲教授团队报道了一种可拉伸电化学传感器与微流控芯片集成的仿生监测平台，可以再现呼吸运动中肺泡细胞所经历的循环拉伸形变，并同步实时监测纳米塑料诱导的肺泡细胞氧化应激（图1）。利用该多功能平台，作者发现循环拉伸可以促进肺泡上皮细胞的纳米塑料摄取，随后以应变依赖的方式导致细胞内H2O2（氧化应激信号分子）的产生。更为重要的是，作者首次区分并定量了呼吸运动机械形变诱导的H2O2释放以及内化纳米塑料引起肺泡细胞氧化应激产生的H2O2，实验结果成功反映出纳米塑料的动态内化过程，为肺部机械微环境下纳米塑料诱导的肺泡细胞氧化应激提供了新的见解。

相关成果以“Real-Time Quantification of Nanoplastics-Induced Oxidative Stress in Stretching Alveolar Cells”为题，发在ACS Nano上，论文的第一作者为武汉大学博士生赵毅，黄卫华教授和刘艳玲教授为共同通讯作者。

图1 实时监测循环拉伸肺泡细胞中聚苯乙烯纳米塑料(PS-NPs)诱导的氧化应激示意图

1.可拉伸电化学传感器-微流控芯片集成平台的制备与表征

该仿生监测平台包括三层结构，顶部流体通道用于细胞灌注和纳米塑料注入，中间可拉伸传感器用于细胞培养和电化学监测，底部真空通道用于施加负压诱导传感器和细胞变形。实验结果表明，内置的可拉伸电极(Au@Pt NTs/PDMS)在机械应变下依然保持电化学稳定性，并展示出对目标分子H 2O 2优异的电催化性能（图2）。

图2 内置Au@Pt NTs/PDMS可拉伸传感的性能表征

2.实时监测拉伸诱导的肺泡细胞H2O2释放

为了体外模拟肺泡细胞所经历的循环拉伸运动并同时监测细胞释放的化学物质，细胞必须牢固地粘附在传感器表面。作者采用胶原溶液对传感表面进行预处理以促进细胞粘附，从而确保了肺泡上皮细胞与底层可拉伸传感器的同步变形。基于此，作者进一步监测了肺泡细胞在不同拉伸模式下H 2O 2（最稳定的ROS）的释放情况。研究结果表明，机械力刺激可瞬时激活细胞膜表面的NADPH氧化酶（NOX），引起H 2O 2快速释放，且其释放量与拉伸幅度呈现正相关。此外，与单次拉伸相比，持续的循环拉伸（体内真实情况）能够引起肺泡细胞释放更多的H 2O 2（图3）。

图3 实时监测拉伸诱导的肺泡细胞H2O2释放

3.循环拉伸下肺泡细胞的纳米塑料内化

作者进一步探究了循环拉伸对于PS-NP内化的影响。实验结果揭示，循环拉伸能够显著促进PS-NP的细胞摄取（图4），进而以应变依赖的方式导致胞内ROS积累，进而诱发细胞凋亡（图5）。

图4 循环拉伸下肺泡细胞的纳米塑料摄取

图5 循环拉伸下纳米塑料引起的胞内ROS积累以及细胞凋亡

4.实时监测循环拉伸下纳米塑料诱导的肺泡细胞氧化应激

针对PS-NP的动态内化过程及其诱导的氧化应激信息尚不清楚的研究现状，作者进一步对不同幅度循环拉伸下纳米塑料诱导肺泡细胞的ROS释放进行实时监测。值得注意的是，电化学监测结果显示肺泡细胞在循环拉伸加载约200 s后，出现由内化的PS-NPs引起的细胞ROS大量释放，成功地反映出纳米塑料的动态内化过程。该结果首次清楚地区分并定量了早期机械拉伸以及胞内纳米塑料诱导氧化应激引起的ROS释放。进一步研究结果表明，循环拉伸主要通过上调小窝蛋白介导的内吞作用，以应变依赖的方式增加细胞的纳米塑料摄取，引起细胞氧化应激（图6）。

图6 实时监测循环拉伸下纳米塑料诱导的肺泡细胞氧化应激

小结：综上所述，作者构建了一种可拉伸电化学传感器与微流控芯片集成的仿生监测平台。 该装置能够成功再现肺泡细胞生理病理状态下承受的机械形变，并首次直接区分和定量了机械拉伸以及纳米塑料诱导肺泡细胞氧化应激引起的ROS释放。 研究结果表明，循环拉伸主要通过小窝蛋白介导的内吞作用，以应变依赖的方式增加细胞的纳米塑料摄取，进一步引起细胞氧化应激。 这项工作为理解肺泡细胞在更接近于体内真实状态的氧化应激提供了新信息。 此外，该多功能装置有望用于探究其它类型机械敏感细胞的动态氧化应激过程，以及结合组织/器官模型进行药物筛选。

原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08851

来源：高分子科学前沿

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