研究细胞杀手：一种先进的二氧化硅尺寸依赖性细胞毒性分析系统

金属纳米材料由于其独特和通用的特性，已成为工业和医疗领域不可或缺的一部分。它们的大小赋予了它们所需的理化性质，也是引起环境和健康问题的原因。纳米材料中的纳米颗粒对生物分子表现出高反应性，甚至经常对生物细胞具有毒性

科学家将金属纳米颗粒与生物分子相互作用的这种行为归因于炎症或氧化应激等现象。然而，为了确保金属纳米颗粒的安全使用，需要探索导致毒性的分子机制，并了解细胞对纳米颗粒的吸收是如何根据其形状、大小、形态和其他方面而变化的

为了阐明这一问题，来自千叶大学药物科学研究生院的助理教授Yu-ki Tanaka和教授Yasumitsu Ogra现在已经根据二氧化硅纳米颗粒（SiNP）的大小估计了其细胞摄入量

在他们最近发表在《毒理学档案》上的突破中，研究人员开发了一种AF4-ICP-MS（电感耦合等离子体质谱的不对称流场流动分级）系统，该系统分离了五种不同尺寸（10、30、50、70和100 nm）的SiNPs，并能够定量评估SiNPs在HepG2细胞中的细胞毒性

当被问及这项研究的动机时，田中博士说：“SiNPs在药物递送、生物医学成像、催化剂以及去除水和土壤中污染物的环境修复等各个领域都取得了进展。然而，人们也非常担心它的环境毒性和对活生物体的潜在影响。”

“因此，为了找到一种解决工业可用性和毒性之间权衡的方法，我们决定开发一种技术，通过结合细胞摄取和毒理学反应的定量数据来了解SiNPs的潜在不良影响。”

电子显微镜和基于激光的动态光散射等尺寸分析技术未能观察到深层中的纳米颗粒样品并阐明纳米颗粒的化学成分。为了解决这些问题，该团队采用了新的AF4-ICP-MS尺寸分析技术，该技术不仅克服了这些问题，还检测到了尺寸低至10nm的纳米颗粒。这在传统的ICP-MS方法中是不可能的

该团队使用基于AF4的方法来评估实验室培养的人肝癌HepG2细胞中SiNPs的细胞摄取。测量结果显示，暴露于HepG2细胞的SiNP中约17%被吸收。该团队进行的透射电子显微镜（TEM）观察到细胞内存在SiNP聚集体，表明小纳米颗粒能够在培养基中沉淀并容易进入细胞

“我们发现，较小的SiNP对HepG2细胞的毒性高于较大的SiNP，但AF4-ICP-MS分析发现，细胞吸收的颗粒体积没有显著的大小依赖性差异，”Tanaka博士强调了毒性实验的结果。这些结果表明，与较大的SiNP相比，小SiNP的细胞毒性行为的提高源于相对于颗粒体积的大表面积

研究人员还研究了与细胞毒性相关的化学机制。数据表明，细胞坏死部分与活性氧（ROS）产生引起的氧化应激有关。此外，SiNP表面的硅烷醇基团和细胞膜中的磷脂的相互作用是相关细胞损伤的原因

总体而言，这些结果表明，新的AF4-ICP-MS技术是定量测定不同尺寸金属纳米颗粒诱导的细胞毒性的有力工具。这项研究的见解也为未来评估纳米颗粒暴露风险及其对人体的潜在负担的研究奠定了坚实的基础

“我们的研究目的是提出一种简单的分析技术，有助于最大限度地减少纳米颗粒对健康的潜在损害。我们希望，我们的研究提供的毒理学信息将有助于建立纳米颗粒在工业、医疗领域，甚至在含纳米颗粒的日常用品中的适当利用和监管标准。”田中博士总结道