铁掺杂氧化铈纳米颗粒的红细胞毒性由红细胞凋亡（eryptosis）介导

《Toxicology Letters》：Erythrotoxicity of iron-doped cerium oxide nanoparticles is mediated by eryptosis

研究人员探讨了不同铁离子（Fe3+）掺杂比例（3、5、10 at%）对氧化铈纳米颗粒（CeO2NPs）诱导红细胞毒性及红细胞凋亡（eryptosis）的影响。整体红细胞毒性通过自发性溶血率及大鼠红细胞渗透脆性变化评估。采用流式细胞术结合膜联蛋白V（annexin V）染色检测暴露于掺杂与非掺杂CeO2NPs 24小时后的红细胞凋亡水平。机制研究使用了2′,7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯（H2DCFDA）、半胱天冬酶-3活性测定，以及O1O（2-(2′-羟基苯基)-5-苯基-1,3-恶唑）、NR12S、Fluo-3 AM、BODIPY? 581/591 C11和BioTracker远红Fe2+活细胞成像探针。结果显示，铁掺杂CeO2NPs的溶血、渗透脆性及红细胞凋亡效应呈剂量依赖性。其诱导的红细胞凋亡由氧化应激、阳离子通道激活及半胱天冬酶依赖途径驱动，涉及纳米颗粒表面•OH生成、类过氧化物酶活性以及Fe2+介导的Fenton反应（源于Fe3+/Fe2+氧化还原循环）。非掺杂CeO2NPs未促进红细胞凋亡，也未显著诱导活性氧（ROS）生成或Ca2+内流。铁的存在与磷脂酰丝氨酸外翻、半胱天冬酶活化及红细胞脂质膜改变密切相关。值得注意的是，该红细胞凋亡不依赖p38丝裂原活化蛋白激酶（p38 MAPK）及酪蛋白激酶1α（CK1α）。研究表明，铁掺杂是调控CeO2NPs红细胞毒性的关键因素，并有望拓展其在药物开发中的应用潜力。

研究背景与意义

氧化铈纳米颗粒（CeO₂NPs，又称nanoceria）因其氧化还原活性及抗氧化特性，已在药物递送、抗菌、抗病毒、抗炎等领域得到广泛研究。金属掺杂被认为是优化其理化性质与生物活性的有效策略，其中铁掺杂可显著改变其光学、磁学及催化性能。然而，铁掺杂也可能通过Fenton反应增强活性氧（ROS）生成，从而影响安全性。目前关于铁掺杂CeO₂NPs的血液相容性尤其是针对成熟红细胞死亡途径——红细胞凋亡（eryptosis）的研究尚不充分。该研究发表于《Toxicology Letters》，旨在揭示铁掺杂对CeO₂NPs红细胞毒性的影响机制，为其在生物医药领域的应用提供实验依据。

关键技术方法

研究人员合成并表征了不同Fe³⁺掺杂比例（3、5、10 at%）的CeO₂NPs，并以大鼠红细胞为模型。采用高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）分析形貌与粒径；利用流式细胞术结合膜联蛋白V染色评估eryptosis水平；通过H2DCFDA检测ROS生成，Fluo-3 AM检测胞内Ca²⁺浓度，BODIPY? 581/591 C11监测脂质过氧化，BioTracker远红Fe²⁺探针追踪Fe²⁺动态；同时检测半胱天冬酶-3活性及渗透脆性变化。所有动物实验均符合欧盟及乌克兰伦理规范。

研究结果

Characterization of the synthesized CeO₂:Fe³⁺nanoparticles

HR-TEM显示合成的纳米颗粒呈不规则晶态，平均粒径随铁掺杂比例升高而减小，分别为6.17±0.55 nm（非掺杂）、5.97±0.54 nm（3% Fe）、4.86±0.41 nm（5% Fe）和4.88±0.40 nm（10% Fe）。

Eryptosis induction

铁掺杂CeO₂NPs显著促进红细胞磷脂酰丝氨酸（PS）外翻，呈剂量依赖性，而非掺杂组无此效应。

Mechanisms

铁掺杂颗粒诱导ROS生成与Ca²⁺内流，并激活半胱天冬酶-3，导致脂质过氧化及膜结构改变。其机制与Fe³⁺/Fe²⁺循环驱动的Fenton反应及类过氧化物酶活性有关。p38 MAPK与CK1α通路未参与该过程。

讨论与结论

铁掺杂是CeO₂NPs红细胞毒性的关键决定因素，其诱导的eryptosis在高浓度下发生，并通过氧化应激、Ca²⁺超载及半胱天冬酶依赖途径实现。非掺杂CeO₂NPs未表现出类似毒性。该发现表明铁掺杂可在调控纳米颗粒生物学效应的同时影响血液安全性，为药物研发中的纳米材料设计提供了重要参考。研究证实铁掺杂CeO₂NPs具有良好的血液相容性，并在特定条件下具备作为抗癌剂诱导铁死亡（ferroptosis）的应用潜力。