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近日，《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）在線發表化學與分子科學學院黃衛華教授課題組在單細胞電分析領域的最新研究成果。論文題目為“NanosensorDetection of Reactive Oxygen and Nitrogen Species Leakage in Frustrated Phagocytosis of Nanofibers”（納米電極監測巨噬細胞沮喪吞噬納米纖維過程中ROS/RNS泄漏）。武漢大學化學與分子科學學院2020級博士研究生齊昱婷為第一作者，黃衛華教授和法國巴黎高師Christian Amatore教授為通訊作者，武漢大學、法國巴黎高師和天津大學為署名單位。

機體吸入環境暴露的高長徑比惰性納米纖維（石棉、玻璃纖維、碳納米管等）后，肺泡巨噬細胞會迅速識別這些異物并試圖將其吞噬。然而由于纖維狀材料高長徑比和難于分解的特性，巨噬細胞難于對其快速清除，從而形成“沮喪吞噬”模式。在此過程中，巨噬細胞內的NADPH氧化酶（NOX）和誘導型一氧化氮合酶（iNOS）會持續產生活性氧和活性氮（ROS/RNS）消化纖維。由于吞噬腔始終未封閉，大量產生的ROS/RNS可能會從吞噬口泄漏到胞外，對周圍肺組織細胞造成損傷并引發疾病。在過去幾十年里，研究人員采用ROS/RNS染色以及活體實驗對碳納米管和石棉等納米纖維材料的研究均支持這一假設。然而，因缺乏合適的傳感器，ROS/RNS泄露一直未能直接監測，且該過程中各類活性物質的化學組成及其時空動態變化特征仍然未知。

針對沮喪吞噬假說，黃衛華教授團隊將鉑黑納米線電化學傳感器（SiC@PtNWS）定位在巨噬細胞吞噬口處，實現了對沮喪吞噬玻璃納米纖維的過程中4種主要ROS/RNS（ONOO-，H2O2，NO和NO2-）泄露通量的實時定量監測。結果表明，在玻璃纖維吞噬各階段，ROS/RNS釋放存在明顯時間差異。相較于細胞頂部，吞噬口處存在大量ROS/RNS泄露，且隨吞噬進行持續增加直到吞噬口封閉泄漏。NOX和iNOS參與動態調控ROS/RNS的物質組成。相關數據定量展示了單個巨噬細胞沮喪吞噬玻璃納米纖維時ROS/RNS產生的時空特征，從而描繪出巨噬細胞應對惰性高長徑納米材料的動態免疫調節過程。體外共培養和活體實驗進一步表明，持續且大量的ROS/RNS泄漏會導致外周細胞嚴重受損，最終轉化為慢性炎癥和肺損傷。

綜上，該工作采用高靈敏電化學納米傳感器，從定量測量和酶動力學角度證實了巨噬細胞沮喪吞噬過程ROS/RNS的泄露假說，實驗結果構建了單細胞行為變化到肺組織損傷之間橋梁，對于深入理解高長徑比納米材料環境暴露導致的相關疾病具有重要意義。

該工作得到了國家自然科學基金、天津大學傅平青團隊和武漢大學科研公共服務條件平臺的支持。

   論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01575-0