Nature Nanotechnology | 稀土纳米颗粒预防细胞内过氧化物诱导的视网膜变性

引言

大家好，今天分享一篇2006年发表在Nature Nanotechnology上的文章Rare earth nanoparticles prevent retinal degeneration induced by intracellular peroxides。本文的通讯作者是俄克拉荷马大学健康科学中心的James F. McGinnis。

文章简介

由于感光细胞（Photoreceptor cells）不断受到光子轰击并且具有高氧代谢率，它们常连续暴露于高水平的活性氧中间体（ROIs）中，受到氧化应激的伤害。在所有类型的致盲性疾病中，包括遗传性视网膜变性，糖尿病性视网膜病变，黄斑变性和视网膜脱落，无论诱因是什么，细胞内活性氧中间体的浓度都会急性或慢性升高，并激活细胞凋亡途径。

铈（Ce）是一种稀土元素，氧化铈（CeO₂）是不溶于水的无机化合物。在氧化还原反应中，氧化铈可以在+3和+4价态之间来回转换，形成氧空位或缺陷。随着粒径减小，氧化铈纳米颗粒可以形成更多的氧空位，且氧化铈纳米颗粒中的晶格缺陷具有再生的能力。因此，氧化铈纳米颗粒是一种极好的自由基清除剂。

文章作者猜测，工程化氧化铈纳米颗粒能够清除视神经元内的活性氧中间体。他们利用体外细胞培养系统和体内白化病大鼠光损伤模型证实了这一点，并认为，使用空位工程化氧化铈纳米颗粒是一种全新的治疗策略，该策略极有可能预防多种退行性疾病。

图文导读

图1. 氧化铈纳米颗粒抑制ROIs。用氧化铈纳米颗粒（1，3，5，10和20 nM）预处理培养的视网膜神经元能够抑制由暴露于1 mM H₂O₂ 30分钟引起的细胞内ROIs的堆积。a–d，用氧化铈纳米颗粒孵育0.5小时（a），12小时（b），24小时（c）和96 小时（d）。该保护具有剂量依赖性和时间依赖性。（统计分析是通过单因素方差分析和Newman-Keuls检验来进行事后分析。数据显示为均值±标准偏差，n = 3，P＜0.05）

图2. 玻璃体内注射氧化铈纳米颗粒保护大鼠视网膜感光细胞避免光诱导的变性。图中展示了邻近视神经的H＆E染色切片的显微照片的代表性图像。白条表示杆状细胞和锥状细胞的核层（外核层ONL）的厚度。在第0天进行注射，第3天将大鼠暴露于光中，第10天试验结束。a，无光照（LE），无注射。b-f，大鼠暴露于2700 lux白光下6小时。在光照前的三天无注射（b），注射盐水（c），0.1 μM CeO₂（d），0.3 μM CeO₂（e），和1.0 μM CeO₂（f）。右下角比例尺代表25 μm。

图3. 氧化铈纳米颗粒为全视网膜提供保护避免光损伤。从视神经开始，沿着垂直子午线每隔220 μm测量一次视网膜外核层的厚度。a，从视神经开始每隔220 μm标绘出对照组视网膜（无光照，无注射），经光照的视网膜，以及光照并用经媒介物处理的氧化铈纳米颗粒处理的视网膜的外核层厚度。ON左侧x轴的负数代表上半球的点，右侧的代表下半球的点。统计分析是通过单因素方差分析和Newman-Keuls检验来进行事后分析。结果显示为均值±抽样误差。（每点n = 6；*P＜0.05；与LE组相比**P＜0.001）。b，上半球外核层厚度之和可以定量评估氧化铈纳米颗粒在最敏感的半球中的保护作用。统计分析是通过单因素方差分析和Newman-Keuls检验来进行事后分析。结果显示为外核层厚度的均值±抽样误差。（每组n = 6）

图4. 氧化铈纳米颗粒预防感光细胞暴露于有害光后数天出现TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labelling assay）阳性。在第0天注射，第3天暴露于光，第8天实验结束。a，d，g，j，m，用H＆E染色的切片。黑色矩形表示拍摄第二列和第三列图象的位置。b，e，h，k，n，用抗地高辛-罗丹明染色的切片用于TUNEL分析。c，f，i，l，o，使用Nomarsky光学元件可视化的相同切片。INL，表示双极细胞核所在的内核层；ONL，表示感光细胞核所在的外核层。a，d，g，j，m中的比例尺代表100 μm；c，f，i，l，o中的比例尺代表25 μm。

图5. 氧化铈纳米颗粒保护视网膜功能具有剂量依赖性。a-g，每组代表性的视网膜电流图（ERG）以电压（μV）对时间（ms）绘制而成。h，显示了每组动物ERG的B波和A波振幅的平均值。统计分析是通过单因素方差分析和Newman-Keuls检验来进行事后分析。结果显示为振幅均值±标准偏差。（每点n = 6）。对照组动物没有被注射，也没有暴露在强光下。LE动物没有被注射，但暴露在强光下。

图6. 即使在光照后再注射氧化铈纳米颗粒也能保护感光细胞。将大鼠暴露于2700 lux的光照下6小时，在2小时后不注射或玻璃体内注射2 μl盐水或1 μM CeO₂的盐水悬浮液。a，每组动物从视神经开始沿垂直子午线标绘测量位点的外核层厚度。Control：无注射，无光照；LE：光照，无注射；LE+0.9% NaCl：光照，然后注射盐水；LE+CeO₂：光照，然后注射1 μM CeO₂。统计分析是通过单因素方差分析和Newman-Keuls检验来进行事后分析。结果显示为外核层厚度的均值±抽样误差。（每点n = 4；*P＜0.05；与LE组相比**P＜0.001）。b，注射后处理氧化铈纳米颗粒带来的功能保护（ERG）的总结。这些数据来自a中的动物。每个柱体代表ERG B波和A波振幅的均值。统计分析是通过单因素方差分析和Newman-Keuls检验来进行事后分析。结果显示为振幅均值±标准偏差。（n = 4；与LE组相比，P＜0.01）。插图是来自四个独立实验的具有代表性的ERG波形。

小结

文章作者最初通过体外细胞培养和体内光损伤模型，证实了氧化铈纳米颗粒对视神经元的保护作用，并通过测量外核层的厚度来确定感光细胞的数量。随后，将动物暴露在光下，5天后用TUNEL法对其眼睛进行组织学分析，证明氧化铈纳米颗粒可以保护感光细胞避免长期的光诱导的损伤。之后，利用ERG证明氧化铈纳米颗粒可以保护视网膜功能，并且可以在光损伤后恢复视网膜功能。总之，空位工程化氧化铈纳米颗粒能够抑制感光细胞内ROIs浓度升高，保护视网膜功能，并推断其对涉及ROIs的任何疾病都是有益的。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/nnano.2006.91

撰稿：王雨婷

校审：程超群、徐庚辰

编辑：徐庚辰

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