使用线粒体部分暴露和基于 MS 的蛋白质组学分析对无定形二氧化硅纳米粒子进行体外毒性筛选

摘要

二氧化硅纳米粒子 (SiNP) 用于消费品、工程和医疗技术。SiNPs 的有吸引力的特性（例如尺寸/表面改性）提高了使用率，从而提高了环境/人类暴露的可能性。与接触 SiNPs 相关的健康风险评估需要有关其相对效力和毒性机制的信息。在这项工作中，吞噬 J774 细胞暴露于无定形原始（15、30、75 nm）和表面修饰（-NH 2、-C3COOH、-C11COOH、-PEG）SiNP 变体，并通过透射电子显微镜评估内化（ TEM），而细胞 ATP 被测量为细胞毒性终点。此外，来自 J774 细胞的线粒体部分暴露于这些 SiNP 变体（5, 15 μg mL -1)，以及两个参考粒子（SiNP 12 nm 和 TiO 2)，并通过质谱分析蛋白质组学变化。Ingenuity Pathway Analysis 用于识别毒性途径。TEM 分析显示 SiNP 内化和分布以及线粒体结构的一些变化。基于高含量质谱数据，SiNP 大小和表面修饰以及线粒体蛋白（包括呼吸复合物和氧化应激的关键蛋白）中的化学成分相关变化是显而易见的。此外，SiNP 暴露细胞中细胞 ATP 水平的剂量相关降低与相关的线粒体蛋白谱一致。这些发现表明，物理化学性质可能是 SiNP 暴露相关线粒体效应的决定因素，

介绍

无定形二氧化硅纳米粒子 (SiNPs) 是一种工程纳米材料 (ENM)，用途广泛，因此可以大规模生产。无定形 SiNP 独特的物理和化学特性，如亲水性、生物相容性和稳定性，使其成为各种消费品的理想候选者，包括电子产品、油漆、化妆品、食品、牙膏和医疗应用，包括基因治疗、成像和光动力治疗，或作为膳食补充剂中的赋形剂。1-3根据消费品清单 (CPI) 清单，几乎五分之一的纳米产品声称含有 SiNP。3据报道，二氧化硅纳米粒子释放到环境中。4SiNPs 的生产、使用和环境释放的增加引起了对潜在暴露和相关环境/人类健康风险的担忧。

毒性测试对于评估与暴露于工程纳米材料相关的健康风险非常重要。然而，与对这些材料的生产和应用的研究相反，毒理学研究不足。通常，纳米颗粒 (NP) 暴露可通过多种途径发生，例如吸入、口服或皮肤吸收。此外，关于纳米颗粒暴露和细胞水平以及先天免疫系统的不良影响的报道也多种多样。5-7在体外或体内暴露于 SiNP ，以及相应的细胞细胞毒性以及器官水平（例如呼吸、心血管、免疫和生殖系统）毒性和线粒体功能障碍是已知的。8–15

此外，还有关于 NP 暴露和由于活性氧 (ROS) 形成引起的氧化损伤的报道，并且 ROS 的形成被认为是 SiNPs 发挥毒性的机制之一。16–21环境污染物暴露会导致细胞氧化应激，进而对线粒体功能产生不利影响。细胞代谢和能量产生对细胞健康至关重要，因此在 NP 暴露后检查线粒体完整性可用于纳米材料毒性测试。

在目前商业上的各种 ENM 中，纳米二氧化硅的使用/生产更多，但在这些材料的毒性信息方面存在的知识空白需要更多的工作来生成这些数据。尽管许多关于纳米二氧化硅毒性的报道都是关于介孔 SiNPs 的，但无定形 SiNPs 的毒性数据是有限的。无定形二氧化硅纳米材料属于加拿大商业中的 ENM 和国内物质清单 (DSL)，需要毒性信息来评估与这些材料相关的健康风险。此外，迄今为止报道的关于无定形SiNP的毒性研究是针对不同尺寸的NP，而不是针对纳米形式的无定形SiNP。此外，无定形 SiNP 暴露相关的毒性机制尚不清楚。而且，22然而，在可以提供表型信息的相同背景下使用蛋白质组学分析仍处于早期阶段。除了相对细胞毒性效力估计外，高内涵分子水平分析可以提供对环境化学品毒性的机制洞察，并且在 NP 毒性测试中引起了新的兴趣。

这项工作的目的是开发一种体外基于高内涵质谱的线粒体组分蛋白质组学分析的毒性筛选方法，以测试无定形 SiNP 纳米形式的相对毒性。作为这项工作的一部分，TEM 分析检查了 J774 细胞对 SiNP 纳米形式的内化。此外，测量暴露于这些 SiNP 纳米形式的 J774 细胞中的细胞 ATP 水平以评估细胞毒性。此外，来自 J774 细胞的线粒体部分暴露于不同的 SiNP 纳米形式，并使用质谱分析蛋白质水平的变化。基于蛋白质组学变化的通路分析提供了有关毒性机制的信息。此外，测试了 SiNP 纳米形式的相对效力与其物理化学性质之间的关系，以确定效力决定因素。