纳米材料的环境与健康风险评估通常基于健康个体模型，但现实中数十亿人患有慢性呼吸系统疾病。本研究首次系统探究了吸入的二氧化铈纳米颗粒在“疾病活动期”对肺损伤进程的调节作用。

研究发现，CeO₂ NPs对博来霉素诱导的肺损伤具有背景依赖性的双重效应：在疾病早期（1周），CeO₂ NPs暴露减轻了纤维化程度，下调了与炎症和上皮-间质转化相关的基因表达，表现出潜在的保护作用；而在疾病后期（2周）或高剂量暴露下，CeO₂ NPs则加剧了肺部损伤。

这一发现颠覆了传统“纳米颗粒毒性”的简单二元判断，提示纳米材料风险评估必须考虑暴露时机与宿主疾病状态的交互作用。

研究背景
被忽视的现实
全球有数亿人患有慢性阻塞性肺病、哮喘、肺纤维化等呼吸系统疾病。然而，现行的纳米材料安全性评估几乎全部基于健康动物模型。

这种“健康假设”与真实世界存在巨大鸿沟——当已经受损的肺遭遇吸入的纳米颗粒，会发生什么？

CeO₂ NPs因其独特的氧化还原催化性能，被广泛应用于：

• 环境领域：作为柴油添加剂，减少尾气有害排放

• 生物医学：因其抗氧化特性，被视为治疗氧化应激相关疾病的潜在药物载体

然而，CeO₂ NPs也是一把“双刃剑”。它们在环境空气中（尤其是道路附近）被广泛检出，可经吸入进入肺部，长期滞留并引发炎症和纤维化。

核心问题：当CeO₂ NPs进入一个已经处于疾病状态的肺，它们是加剧损伤，还是发挥抗氧化保护作用？

研究方法
动物模型 + 人体细胞模型的“双轨验证”
动物实验设计

• 模型建立：雄性SD大鼠经气管滴注博来霉素，建立肺损伤和纤维化模型

• 暴露方案：口鼻吸入CeO₂ NP气溶胶（直径~43 nm），每天3小时，每周4天，持续1或2周

• 对照设置：设对照组、单独CeO₂暴露组、单独博来霉素组、博来霉素+CeO₂联合暴露组

• 检测指标：支气管肺泡灌洗液细胞学、肺组织病理学、Masson染色纤维化评估、全转录组测序

为在细胞水平验证机制，研究采用AE-ALI系统，将3D人小气道上皮细胞培养物（SmallAir™）在气液界面暴露于CeO₂ NP气溶胶（直径~86 nm），沉积剂量与体内小气道剂量相匹配。

技术亮点：通过MPPD模型精确计算体内小气道沉积剂量，指导体外暴露剂量设计，实现体内外数据的可比性。

核心发现

在博来霉素给药后立即开始CeO₂ NP暴露1周，研究发现：

• 细胞学改变：博来霉素组BAL总细胞数和中性粒细胞显著升高，联合暴露组进一步升高，提示CeO₂ NPs可能促进炎症细胞募集

• 病理学改善：令人惊讶的是，联合暴露组的肺损伤评分显著低于单独博来霉素组，组织病理学改变减轻

• 纤维化减轻：Masson染色显示，博来霉素组纤维化面积达15%，而联合暴露组纤维化染色显著减少

• 转录组调控：RNA测序显示，博来霉素诱导的上皮-间质转化相关基因（Fn1、TGFβ-3、Col12a1）上调，在联合暴露组中被逆转

关键通路：基因集富集分析提示，CeO₂ NPs可能通过抑制EMT过程减轻纤维化进展。

当暴露延长至2周，情况发生逆转：

• 博来霉素本身在14天时的毒性效应已部分消退（符合博来霉素损伤的自限性特征）

• 但在博来霉素+CeO₂联合暴露组，纤维化染色显著增加，且分布更均匀

• 转录组分析显示，此时主要激活的是炎症和免疫细胞通路

解读：CeO₂ NPs对已建立的纤维化组织可能主要表现为其固有的促纤维化效应，而非调节博来霉素诱导的过程。

在AE-ALI暴露的SmallAir™细胞模型中：

• 细胞毒性：CeO₂ NP暴露剂量依赖性地增加LDH释放

• 基因表达：

  • 博来霉素预处理显著上调炎症相关基因（CXCL1、IL-8）和FN1

  • CeO₂ NPs单独暴露上调MUC5AC、TGFB3、FN1

  • 联合暴露下，TGFB3在低剂量时显著下调，高剂量时无此效应

体外发现的意义：部分验证了体内观察到的CeO₂ NPs对博来霉素诱导反应的调节作用，但也暴露出体外模型的局限性——无法完全复现体内复杂的多细胞相互作用和长期病理进程。

机制探讨

CeO₂ NPs表面存在Ce³⁺/Ce⁴⁺的动态转换，使其既能清除自由基（抗氧化），也能产生活性氧（促氧化）。这种“氧化还原开关”特性，使其作用高度依赖于局部微环境。

本研究中，1周暴露组CeO₂ NPs显著逆转了博来霉素诱导的EMT相关基因上调。EMT是组织纤维化的关键启动步骤，抑制EMT可能是CeO₂ NPs早期保护效应的核心机制。

博来霉素诱导的肺损伤呈现急性炎症期（7天）→纤维化期（14天+） 的动态演变。CeO₂ NPs在炎症期介入可能通过抗氧化、抗炎机制减轻后续纤维化；而在纤维化期介入，则可能因其颗粒本身的促纤维化特性而叠加损伤。

研究启示
对纳米毒理学的启示

“纳米材料的安全性不是一个固定属性，而是暴露情境的函数。”

本研究清晰表明，在健康模型中评估为“有毒”的纳米材料，在疾病模型中可能表现出保护作用；反之亦然。未来的危害评估必须纳入：

• 宿主疾病状态（健康 vs. 患病）

• 暴露时机（疾病早期 vs. 晚期）

• 剂量累积效应

CeO₂ NPs曾被广泛研究作为抗氧化治疗载体。本研究发现其在疾病早期具有保护效应，为靶向递送抗纤维化药物提供了新思路。但需警惕高剂量或长期暴露可能产生的反作用。

本研究使用了AE-ALI系统将3D人小气道上皮细胞暴露于气溶胶，实现了与体内剂量的匹配。这是推动新方法学发展的重要尝试。然而，体外模型难以模拟EMT、纤维化等需要多细胞参与的长期病理过程，未来需发展共培养系统和慢性暴露模型。

研究设备
研究设备：精准暴露的技术基石

本研究的可靠性，高度依赖于精准可控的吸入暴露系统。

研究采用口鼻吸入暴露系统，可实现：

• 气溶胶浓度实时监测与反馈控制

• 粒径分布在线测量（SMPS）

• 温度、湿度精确调节

• 长达数周的自动化暴露运行

体外部分使用的AE-ALI系统具备以下核心优势：

• 气溶胶发生：TSI恒输出雾化器产生稳定CeO₂ NP气溶胶

• 暴露平台：CULTEX RFS径向流系统，确保多个暴露孔间气溶胶均一性变异系数≤5%

• 沉积效率优化：通过静电沉淀增强沉积，并实测沉积剂量（ICP-MS）

• 系统对照：严格评估单纯空气/水流对细胞的影响，排除系统干扰

正是这样的精密设备，才使得体内外剂量匹配、机制比较成为可能。

德伯科技深耕吸入暴露领域，可为这类前沿研究提供完整的国产化解决方案，覆盖从动物到细胞的全链条暴露需求。

体内暴露系统：德伯口鼻吸入暴露系统

本研究采用的口鼻吸入暴露方式，是大鼠吸入毒理研究的金标准。德伯科技自主研发的口鼻吸入暴露系统，具备以下核心优势：

• 气溶胶稳定性：系统可实时监测并反馈控制气溶胶浓度，确保长达数周的每日暴露中，浓度波动控制在极小范围内，完全满足本研究对CeO₂ NP气溶胶（直径~43 nm）长期稳定暴露的要求

• 粒径分布可控：集成SMPS在线粒径监测，实时掌握气溶胶粒径变化，为MPPD模型剂量计算提供精准输入

• 多通道设计：支持同时暴露多只动物，保证组间暴露条件的一致性，变异系数低

• 自动化运行：支持每日定时自动暴露，无需人工值守，大幅提升实验效率

• 废气处理：高效过滤系统，确保实验安全

体外暴露系统：德伯细胞气液界面暴露系统（ACP系列）

• ACP3/6/16系列：提供3、6、16通道的灵活配置，各通道间气溶胶均一性变异系数≤5%，确保平行对照的可靠性

• 精准剂量控制：通过优化气路设计和可选配的静电沉积模块，可实现沉积剂量的精确控制，并支持通过ICP-MS等方式实测沉积量，实现体内外剂量匹配

• 稳定的暴露环境：精确控制温度（37±0.1℃）、湿度（≥95%），完美复刻人体气道微环境

• 全自动软件控制：支持气密性检测、培养基自动加注、实验程序编辑、自动清洗等功能，实验全程可追溯

• 兼容多种气溶胶：配合Collison雾化发生器，可稳定产生纳米颗粒气溶胶、生物气溶胶、烟雾等多种暴露物质

完整解决方案

德伯科技致力于为吸入毒理学研究提供从气溶胶发生、暴露控制到数据分析的全链条解决方案。无论是如本研究所需的纳米颗粒气溶胶，还是香烟烟雾、生物气溶胶、粉尘颗粒物，我们都能提供匹配的国产化设备与技术支持。

这项发表于《Particle and Fibre Toxicology》的研究，首次系统揭示了吸入的CeO₂ NPs在博来霉素诱导的肺损伤模型中的时间依赖性调节效应。

它提醒我们：在真实世界中，暴露于纳米材料的个体可能并非“健康人”，而是带着各种基础疾病的脆弱人群。纳米材料的安全评估，需要走出“健康模型”的舒适区，拥抱更复杂、更真实的暴露情境。

而对于致力于吸入毒理学研究的科研工作者，一台能够精准控制暴露条件、实现体内外剂量匹配的暴露系统，正是打开这扇复杂之门的钥匙。

文献来源

Guo, C., Buckley, A., Robertson, S. et al. Modulatory effects of CeO2 nanoparticles on bleomycin-induced active pulmonary disease processes in animal and human airway epithelium models. Part Fibre Toxicol 23, 5 (2026).