《Journal of Hazardous Materials》：Macrophage-derived exosome as bioengineered nanotherapeutics for silica-induced reproductive dysregulation
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硅基纳米颗粒（SiNPs）暴露导致男性生殖系统损伤，通过Wnt信号通路失调引发精子活力下降和睾丸结构异常。本研究开发巨噬细胞衍生外泌体（M-Exo）作为靶向治疗纳米疗法，证实其可修复SiNPs诱导的生殖功能障碍，通过调节Wnt通路和增强抗氧化能力实现疗效。
张子同|孟佳华|陈珍|云翔|李宁|李强|田家琦|孙慧玉|李增峰|李飞|段淑音|张琳
中国国家卫生健康委员会母婴医学重点实验室妇产科临床研究中心，青岛大学附属山东省妇幼保健医院，济南250001
摘要
工程纳米材料对人类健康构成了新的挑战，尤其是职业性硅纳米颗粒（SiNPs）暴露所引起的生殖毒性。本研究展示了巨噬细胞来源的外泌体（M-Exo）作为生物工程纳米治疗剂在治疗SiNPs诱导的男性生殖功能障碍方面的开发与应用。我们利用透射电子显微镜（TEM）、纳米颗粒追踪分析（NTA）和动态光散射（DLS）技术对M-Exo进行了表征，确认其具有杯状形态，平均水动力直径为163.2 ± 2.4纳米，具有优异的单分散性（PDI = 0.13），浓度为1.93 × 10^11颗粒/毫升。通过荧光标记的M-Exo进行的体内生物分布研究表明，在气管内给药后8小时，M-Exo在睾丸中积聚达到峰值。SiNPs暴露（100毫克/毫升）通过Wnt信号通路失调破坏了精子发生过程，导致G2/M细胞周期停滞和氧化损伤。M-Exo治疗使精子活力从70.8 ± 1.2%恢复到76.2 ± 7.3%，异常率从16.4 ± 1.1%降低到11.6 ± 1.1%，并使睾丸结构恢复正常。机制上，M-Exo通过调节异常的Wnt信号通路并增强细胞抗氧化能力来发挥作用。总之，我们证明M-Exo可以通过调节Wnt信号通路修复SiNPs引起的生殖损伤，这为靶向传递再生信号提供了一个创新平台。
引言
硅纳米颗粒（SiNPs）是一类无机纳米材料，其粒径范围为1至100纳米，具有优异的物理化学性质，包括高比表面积、出色的吸附能力和显著的化学稳定性，这些特性使其广泛应用于制药配方、化妆品、食品添加剂和生物医学领域[1]、[2]、[3]。SiNPs的生产和使用的快速增长不可避免地增加了人类通过吸入、摄入和皮肤接触等途径的暴露风险，并在肺、肝、肾和生殖组织等关键器官中积累了证据[4]、[5]。大量的毒理学研究表明，SiNPs暴露可以引发一系列不良生物反应，包括氧化应激、炎症激活、DNA损伤和细胞凋亡，这些共同导致了多器官毒性，需要进行全面的安全评估[6]、[7]。
在受SiNPs影响的各个器官系统中，男性生殖系统对纳米颗粒介导的毒性尤为敏感。睾丸组织的独特解剖和生理特征，包括血-睾屏障和高度特化的生精微环境，使得SiNPs能够穿透这些保护屏障并在生精小管内积聚，从而干扰精子发生[5]、[8]。多项毒理学证据表明，SiNPs暴露会导致精子参数受损，包括精子数量减少、活力下降和形态异常增加，并伴有睾丸结构的组织病理学改变[8]、[9]。其潜在的病理生理机制包括氧化应激介导的细胞损伤、线粒体功能障碍、内质网应激反应以及Sertoli细胞和Leydig细胞功能的紊乱，这些都会影响睾酮合成和整体男性生育能力[10]、[11]、[12]。然而，SiNPs诱导的生殖毒性的精确分子机制，特别是对精子细胞增殖和分化过程的影响，尚未完全阐明。
精子发生的调控涉及细胞周期进展、分化途径和细胞间通信网络的复杂协调[13]。Wnt信号通路是这一调控框架的核心，它是一个高度保守的分子级联反应，在干细胞维持、组织修复和细胞增殖控制中发挥着基础性作用[14]、[15]。在睾丸微环境中，Wnt通路通过调节精原细胞增殖和精子细胞减数分裂过程来调控精子发生[16]。这些分子介质的失调会导致细胞周期检查点的紊乱，特别是G1/S和G2/M阶段的转换，从而导致精子发生过程异常和配子质量下降[17]、[18]、[19]。因此，鉴于Wnt信号通路在生殖生物学中的重要作用，SiNPs暴露可能通过调节Wnt通路来发挥生殖毒性作用，从而影响生精细胞的细胞周期调控。
针对纳米颗粒引起的生殖损伤的治疗策略传统上侧重于传统的保护措施，如抗氧化补充和抗凋亡干预[20]。再生医学的最新进展强调了细胞外囊泡，特别是外泌体，作为新型治疗手段的巨大潜力[21]、[22]、[23]。外泌体是由几乎所有细胞类型分泌的纳米级膜囊泡（30–150纳米），作为天然的药物运输工具，能够运输蛋白质、核酸和脂质等生物活性物质[24]。巨噬细胞来源的外泌体（M-Exo）因其继承了母细胞的功能特性（包括抗炎反应和组织再生能力）而受到特别关注。来自多种病理模型的证据表明，M-Exo可以通过输送抗炎介质和激活生存信号级联反应有效缓解组织损伤[25]、[26]。然而，M-Exo在解决生殖系统损伤（尤其是由环境纳米颗粒暴露引起的损伤）方面的潜在治疗效果仍需进一步探索，这是该领域的一个重要知识空白。
本研究的主要目的是评估M-Exo在修复SiNPs引起的生精功能障碍方面的治疗潜力，并阐明其潜在保护作用的分子机制。通过全面的体内和体外研究，我们系统地考察了SiNPs对精子质量参数、睾丸组织结构、细胞骨架完整性、细胞周期进展和Wnt通路激活的影响，同时评估了M-Exo干预在多个生物学指标上的修复能力。
动物和实验处理
本研究获得了山东省妇幼保健医院研究伦理委员会的批准（伦理批准编号：2021-121），并严格遵循《实验动物护理和使用指南》进行。健康的C57BL/6雄性小鼠（8–9周龄，20–25克，无特定病原体（SPF）等级）由济南鹏越实验动物繁殖有限公司提供（许可证编号：SCXK (Lu) 20220006），并在标准化环境条件下饲养。
SiNPs暴露会损害精子质量并破坏睾丸结构
为了研究SiNPs的生殖毒性，我们建立了通过气管内滴注SiNPs的小鼠模型（图1A）。表征研究表明，SiNPs呈球形至椭球形，平均直径为17.1 ± 2.3纳米，ζ电位为-23.0 ± 1.4毫伏，显示出优异的水溶性（图S1A–C）。TEM显示SiNPs成功穿透了血-睾屏障，在生精小管内积聚。
讨论
我们的结果证实了SiNPs在生精小管内的积聚以及随后的生殖功能障碍，这与先前的研究结果一致，表明男性生殖系统对纳米颗粒暴露非常敏感[29]。早期研究一致表明，SiNPs暴露会导致精子参数受损，包括活力下降、浓度降低和形态异常增加[9]、[30]。其他研究也报告称SiNPs可能还会引起
结论
总之，本研究提供了新的证据，表明SiNPs引起的男性生殖毒性涉及Wnt信号通路的失调，导致细胞周期停滞和生精功能障碍。M-Exo在通过调节Wnt通路来缓解SiNPs引起的病理变化方面的治疗效果表明了一种新颖且有前景的治疗策略。尽管在临床转化方面仍存在挑战，但这些发现加深了我们对这一机制的理解。
伦理批准和参与同意
本研究获得了山东省妇幼保健医院研究伦理委员会的批准（伦理批准编号：2021-121）。
CRediT作者贡献声明
孙慧玉：软件、方法学、实验设计。李增峰：软件、方法学、实验设计。李强：软件、方法学、实验设计。田家琦：软件、方法学、实验设计。李飞：软件、方法学、实验设计。段淑音：软件、方法学、实验设计。张琳：监督、资源管理、项目协调、资金获取。张子同：撰写初稿、验证、方法学、实验设计。云翔：软件、方法学
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了山东省泰山学者计划（编号：tsqn202211359）的支持。研究资助方未参与研究设计、数据收集、数据分析或报告撰写。
利益冲突
作者声明在本文的发表过程中不存在利益冲突。
出版同意
不适用。
