石墨烯是一種新型的二維碳基材料，已成為風(fēng)能和光伏能源收集和存儲(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。其廣泛的應(yīng)用引發(fā)了人們對(duì)其職業(yè)吸入暴露的日益關(guān)注，亟需確定相關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)并制定預(yù)防策略。關(guān)于納米石墨烯誘導(dǎo)的肺纖維化，研究報(bào)道的結(jié)果存在分歧。有趣的是，包括鐵死亡在內(nèi)的多種程序性細(xì)胞死亡模式被發(fā)現(xiàn)在這一病理過程中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。然而，它們與石墨烯暴露以及由此產(chǎn)生的毒性效應(yīng)之間的關(guān)系仍然未知。在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯暴露的時(shí)間和劑量增加導(dǎo)致了組織特異性的器官損傷，主要集中于肺和免疫系統(tǒng)。值得注意的是，細(xì)胞鐵死亡伴隨著肺組織纖維化，這一發(fā)現(xiàn)通過代謝組學(xué)得到了進(jìn)一步證實(shí)。此外，1-甲基腺苷（m1A）被鑒定為石墨烯暴露的響應(yīng)性生物標(biāo)志物，功能驗(yàn)證表明其涉及tRNA甲基轉(zhuǎn)移酶6（TRMT6）和tRNA甲基轉(zhuǎn)移酶61A（TRMT61A）?？偟膩碚f，研究結(jié)果表明，m1A介導(dǎo)了石墨烯暴露誘導(dǎo)的纖維化和鐵死亡進(jìn)展過程中的關(guān)鍵信號(hào)傳導(dǎo)，并可以作為一個(gè)潛在的石墨烯暴露生物標(biāo)志物。針對(duì)TRMT6/TRMT61A可能為石墨烯誘導(dǎo)的毒性提供治療途徑。
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圖1. 石墨烯的結(jié)構(gòu)與形態(tài)表征
A) 拉曼光譜顯示石墨烯的D帶（1350 cm?¹）、G帶（1580 cm?¹）和2D帶（2700 cm?¹）。B) 石墨烯的TEM圖像（28 500×, 15 000×）。C) DLS圖譜顯示的水動(dòng)力直徑分布。D, E) 石墨烯的AFM形貌圖。
解析：
這段文字描述了石墨烯材料的四種關(guān)鍵表征技術(shù)：拉曼光譜（Raman）、透射電子顯微鏡（TEM）、動(dòng)態(tài)光散射（DLS）和原子力顯微鏡（AFM），分別用于分析其化學(xué)鍵合、微觀結(jié)構(gòu)、溶液中的粒徑分布及表面形貌特征。這些技術(shù)是納米材料表征的標(biāo)準(zhǔn)流程，用于確認(rèn)材料的純度、層數(shù)、尺寸等關(guān)鍵參數(shù)。
圖中的D帶（缺陷峰）和G帶（石墨特征峰）強(qiáng)度比（ID/IG=0.17）表明所用石墨烯缺陷密度低，2D峰特征則進(jìn)一步表明其為少層石墨烯（4-5層）。TEM圖像直觀展示了石墨烯的皺褶層狀結(jié)構(gòu)，而AFM測量其厚度約為1.5納米，與理論層間距計(jì)算的結(jié)果一致。DLS結(jié)果顯示其水動(dòng)力直徑分布主要集中在400-600納米范圍內(nèi)，與AFM測得的橫向尺寸相符。這些數(shù)據(jù)共同證明了所使用材料為低缺陷密度的少層石墨烯納米片，并確認(rèn)了其納米級(jí)尺寸特征。
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圖2. 石墨烯暴露導(dǎo)致小鼠肺組織和免疫器官損傷。
A) 暴露或未暴露于石墨烯的小鼠肺組織H&E染色（200×）。
B) 硅暴露后小鼠脾臟組織的H&E染色代表性圖像（200×）。
C) 小鼠胸腺組織的H&E染色（100×）。
D) 肝組織（100×）、E) 腎組織（200×）、F) 心臟組織（200×）H&E染色顯示的組織病理學(xué)改變。
解析：
這張圖通過H&E染色（蘇木精-伊紅染色）直觀展示了石墨烯暴露對(duì)小鼠多器官的毒性效應(yīng)。
² 肺組織（A）：石墨烯暴露組可能出現(xiàn)炎癥細(xì)胞浸潤、肺泡結(jié)構(gòu)破壞等病理變化，與文獻(xiàn)中“石墨烯暴露導(dǎo)致肺纖維化”的結(jié)論相呼應(yīng)。
² 免疫器官（B、C）：脾臟和胸腺是重要的免疫器官，其結(jié)構(gòu)損傷（如淋巴細(xì)胞減少、濾泡結(jié)構(gòu)紊亂）提示石墨烯可能抑制免疫功能。
² 其他器官（D-F）：肝、腎、心臟的病理變化（如肝細(xì)胞變性、腎小管損傷、心肌纖維化）表明石墨烯的毒性具有全身性，可能通過血液循環(huán)影響多個(gè)系統(tǒng)。
該圖與前文“石墨烯暴露導(dǎo)致組織特異性器官損傷，主要集中于肺和免疫系統(tǒng)”的結(jié)論一致，為石墨烯的全身毒性提供了直接的形態(tài)學(xué)證據(jù)。
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圖3. 石墨烯暴露后不同階段肺組織纖維化指標(biāo)及相關(guān)炎性因子的動(dòng)態(tài)變化。
A) Masson染色顯示小鼠肺組織膠原沉積（200×）。B–E) 暴露或未暴露于石墨烯的小鼠肺組織中纖維化指標(biāo)的RT-qPCR分析。F–J) 纖維化指標(biāo)的Western blot分析。K) 石墨烯暴露后小鼠肺組織中α-SMA的IHC染色。M–P) 石墨烯暴露后炎性因子的RT-qPCR分析。誤差條表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差。*p < 0.05 vs 鹽水組，#p < 0.05 vs 石墨烯-L組，&p < 0.05 vs 石墨烯-M組。
解析：
這張圖通過多種分子生物學(xué)技術(shù)（Masson染色、RT-qPCR、Western blot、IHC）系統(tǒng)展示了石墨烯暴露后肺纖維化進(jìn)程中的關(guān)鍵分子事件。
²
膠原沉積（A）：Masson染色直接可視化纖維化特征性病理改變，即細(xì)胞外基質(zhì)（膠原）的異常積累。
²
纖維化指標(biāo)（B–J）：RT-qPCR和Western blot檢測了纖維化相關(guān)基因/蛋白（如TGF-β、α-SMA、Col1a1等）的表達(dá)水平，其動(dòng)態(tài)變化揭示了石墨烯如何激活成纖維細(xì)胞并驅(qū)動(dòng)纖維化進(jìn)程。
²
炎性因子（M–P）：檢測了IL-6、TNF-α等促炎因子的表達(dá)，說明石墨烯暴露引發(fā)了持續(xù)的炎癥反應(yīng)，而炎癥與纖維化之間存在密切的相互作用。
²
統(tǒng)計(jì)學(xué)差異：通過*、#、&符號(hào)標(biāo)記的顯著性差異，明確了石墨烯暴露劑量（L、M）與時(shí)間對(duì)纖維化/炎癥指標(biāo)的劑量-效應(yīng)關(guān)系。
該圖與前文“石墨烯暴露導(dǎo)致肺纖維化并伴隨鐵死亡”的結(jié)論相呼應(yīng)，為理解其毒性機(jī)制提供了分子層面的證據(jù)鏈。
石墨烯毒性研究關(guān)鍵指標(biāo)速查表
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器官/系統(tǒng) |
病理變化 |
潛在機(jī)制 |
關(guān)鍵檢測指標(biāo) |
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呼吸系統(tǒng) |
肺組織炎癥、纖維化、肺泡結(jié)構(gòu)破壞、血栓形成風(fēng)險(xiǎn)增加 |
氧化應(yīng)激、細(xì)胞膜損傷、血小板激活、紅細(xì)胞膜損傷 |
- 活性氧(ROS)水平- 炎癥因子（TNF-α, IL-6, IL-1β）- 膠原沉積（Masson染色）- 血小板活化標(biāo)志物（如P-selectin） |
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免疫系統(tǒng) |
脾臟/胸腺結(jié)構(gòu)損傷（淋巴細(xì)胞減少、濾泡紊亂）、免疫功能抑制 |
免疫細(xì)胞功能抑制、網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除障礙 |
- 免疫細(xì)胞計(jì)數(shù)（T/B細(xì)胞亞群）- 細(xì)胞因子譜（IFN-γ, IL-4）- 脾臟/胸腺指數(shù)（器官重量/體重比） |
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心血管系統(tǒng) |
心肌纖維化、心臟功能異常、血管內(nèi)皮損傷 |
氧化應(yīng)激、線粒體功能障礙、血管收縮異常 |
- 心肌酶譜（CK-MB, LDH）- 心電圖（ECG）- 血管內(nèi)皮功能標(biāo)志物（eNOS, vWF） |
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肝臟 |
肝細(xì)胞變性、脂肪變性、代謝和解毒功能受損 |
細(xì)胞攝取、氧化應(yīng)激、線粒體損傷 |
- 肝功能指標(biāo)（ALT, AST, ALP）- 抗氧化酶（SOD, CAT）- 肝組織病理（H&E染色 |
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腎臟 |
腎小管損傷、濾過功能下降、蛋白尿 |
氧化應(yīng)激、腎小管堵塞、炎癥浸潤 |
- 腎功能指標(biāo)（BUN, Cr）- 尿蛋白定量- 腎組織病理（PAS染色） |
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神經(jīng)系統(tǒng) |
認(rèn)知和行為異常、神經(jīng)細(xì)胞凋亡、血腦屏障通透性增加 |
血腦屏障穿透、神經(jīng)信號(hào)干擾、氧化應(yīng)激 |
- 神經(jīng)遞質(zhì)水平（多巴胺、5-HT）- 血腦屏障完整性標(biāo)志物（ZO-1, Claudin-5）- 行為學(xué)測試（Morris水迷宮） |
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全身毒性 |
體重下降、器官系數(shù)異常、全身炎癥反應(yīng) |
系統(tǒng)性氧化應(yīng)激、免疫激活、代謝紊亂 |
- 體重變化曲線- 器官系數(shù)（肝/腎/脾重量/體重）- 全身炎癥因子（CRP, IL-6） |
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分子機(jī)制 |
鐵死亡、m1A修飾異常、細(xì)胞周期紊亂、DNA損傷 |
鐵代謝失衡、tRNA甲基轉(zhuǎn)移酶（TRMT6/TRMT61A）功能異常、氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的DNA斷裂 |
- 鐵死亡標(biāo)志物（GPX4, ACSL4）- m1A修飾水平（m1A-seq）- DNA損傷標(biāo)志物（γ-H2AX） |
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暴露途徑相關(guān) |
吸入暴露（肺沉積）、經(jīng)皮吸收（皮膚炎癥）、口服暴露（胃腸道損傷） |
納米顆粒穿透屏障、局部炎癥反應(yīng)、全身分布 |
- 肺沉積量（吸入暴露）- 皮膚滲透性（體外滲透模型）- 胃腸道病理（H&E染色） |
補(bǔ)充說明
1. 檢測方法：
² 組織病理：H&E染色（炎癥/纖維化）、Masson染色（膠原沉積）、PAS染色（腎小管損傷）。
² 分子生物學(xué)：RT-qPCR（基因表達(dá)）、Western blot（蛋白水平）、IHC（蛋白定位）。
² 生化指標(biāo)：ELISA（細(xì)胞因子）、比色法（酶活性）、流式細(xì)胞術(shù)（細(xì)胞亞群）。
2. 統(tǒng)計(jì)學(xué)差異：顯著性標(biāo)記（*p < 0.05 vs 對(duì)照組）需結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
3. 應(yīng)用場景：適用于石墨烯暴露的毒性評(píng)估、機(jī)制研究及預(yù)防策略制定。如需進(jìn)一步細(xì)化某類指標(biāo)（如特定基因/蛋白的檢測方法），可提供具體方向進(jìn)行補(bǔ)充！
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圖4. 石墨烯驅(qū)動(dòng)的肺纖維化病理過程伴隨線粒體和鐵死亡標(biāo)志物的變化。
A) 石墨烯暴露后肺組織細(xì)胞中線粒體改變的代表性TEM圖像（20 000×）。B–E) 暴露或未暴露于石墨烯的小鼠肺組織中鐵死亡指標(biāo)的RT-qPCR分析。F–J) 鐵死亡指標(biāo)的Western blot分析。K) 小鼠肺組織中SLC7A11的IHC染色。誤差條表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差。*p < 0.05 vs 鹽水組，#p < 0.05 vs 石墨烯-L組，&p < 0.05 vs 石墨烯-M組。
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解析：
這張圖通過透射電鏡（TEM）、RT-qPCR、Western blot和免疫組化（IHC）等技術(shù)，系統(tǒng)展示了石墨烯如何通過影響線粒體功能和鐵死亡通路來驅(qū)動(dòng)肺纖維化。
² 線粒體損傷（A）：TEM圖像直觀顯示了石墨烯暴露后線粒體結(jié)構(gòu)的異常變化，如嵴斷裂、腫脹等，這與線粒體功能紊亂和能量代謝障礙密切相關(guān)。
² 鐵死亡指標(biāo)（B–J）：RT-qPCR和Western blot檢測了鐵死亡相關(guān)基因/蛋白（如GPX4、SLC7A11、ACSL4等）的表達(dá)水平，其動(dòng)態(tài)變化揭示了石墨烯如何通過抑制谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4）的活性，導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化物積累，從而觸發(fā)鐵死亡。
² SLC7A11表達(dá)（K）：IHC染色顯示SLC7A11（胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）的表達(dá)變化，進(jìn)一步證實(shí)了石墨烯通過抑制胱氨酸攝取，加劇氧化應(yīng)激和鐵死亡。
² 統(tǒng)計(jì)學(xué)差異：通過*、#、&符號(hào)標(biāo)記的顯著性差異，明確了石墨烯暴露劑量（L、M）與時(shí)間對(duì)鐵死亡/纖維化指標(biāo)的劑量-效應(yīng)關(guān)系。
該圖與前文“石墨烯暴露導(dǎo)致肺纖維化并伴隨鐵死亡”的結(jié)論相呼應(yīng)，為理解其毒性機(jī)制提供了分子層面的證據(jù)鏈。
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圖5. 石墨烯驅(qū)動(dòng)的肺纖維化病理過程伴隨亞鐵和脂質(zhì)過氧化的變化。
A) 石墨烯暴露后小鼠肺組織的普魯士藍(lán)染色。B, C) 使用試劑盒檢測石墨烯暴露后不同時(shí)間點(diǎn)肺組織中總亞鐵和亞鐵離子水平。D–F) 使用特定試劑盒檢測肺組織中脂質(zhì)過氧化（MDA、GSH、H2O2）水平。誤差條表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差。*p < 0.05 vs 鹽水組，#p < 0.05 vs 石墨烯-L組，&p < 0.05 vs 石墨烯-M組。
解析：
這張圖通過普魯士藍(lán)染色、試劑盒檢測等方法，系統(tǒng)展示了石墨烯如何通過影響亞鐵水平和脂質(zhì)過氧化來驅(qū)動(dòng)肺纖維化。
²
亞鐵水平（B、C）：試劑盒檢測總亞鐵和亞鐵離子水平，揭示石墨烯暴露后亞鐵的動(dòng)態(tài)變化，亞鐵與鐵死亡密切相關(guān)。
²
脂質(zhì)過氧化（D–F）：檢測MDA、GSH、H2O2水平，說明石墨烯暴露引發(fā)持續(xù)氧化應(yīng)激，加劇肺纖維化。
²
統(tǒng)計(jì)學(xué)差異：通過*、#、&符號(hào)標(biāo)記的顯著性差異，明確了石墨烯暴露劑量（L、M）與時(shí)間對(duì)亞鐵和脂質(zhì)過氧化指標(biāo)的劑量-效應(yīng)關(guān)系。
該圖與前文“石墨烯驅(qū)動(dòng)肺纖維化伴隨鐵死亡”的結(jié)論相呼應(yīng)，為理解其毒性機(jī)制提供了氧化應(yīng)激層面的證據(jù)鏈。
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圖6. 代謝組學(xué)鑒定石墨烯暴露后肺組織中的多種差異代謝物（DMs）。
A) LC-MS-seq樣本的主成分分析（PCA）得分圖。
B) 火山圖顯示石墨烯處理組與對(duì)照組之間的差異代謝物（DMs）分布概況。
C) 不同組別間差異代謝物的韋恩圖。
D) 石墨烯暴露后最后4或5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的共同差異代謝物。
解析：
這張圖通過代謝組學(xué)技術(shù)（LC-MS-seq）系統(tǒng)分析了石墨烯暴露后肺組織中的代謝物變化，揭示了其毒性作用的代謝基礎(chǔ)。
²
PCA圖（A）：展示了樣本間的整體代謝差異，石墨烯處理組與對(duì)照組明顯分離，說明石墨烯暴露顯著改變了肺組織的代謝譜。
²
火山圖（B）：直觀呈現(xiàn)了差異代謝物的數(shù)量及其顯著性（p值）和變化倍數(shù)（Fold Change），篩選出顯著上調(diào)或下調(diào)的代謝物。
²
韋恩圖（C）：比較了不同處理組（如不同劑量或時(shí)間點(diǎn)）間的共同和特有差異代謝物，揭示了石墨烯暴露的劑量-時(shí)間依賴性代謝響應(yīng)。
²
共同差異代謝物（D）：聚焦于石墨烯暴露后期（最后4或5個(gè)時(shí)間點(diǎn)）持續(xù)存在的代謝物，這些代謝物可能參與了纖維化的關(guān)鍵病理過程。
該圖與前文“石墨烯暴露導(dǎo)致肺纖維化并伴隨鐵死亡”的結(jié)論相呼應(yīng)，為理解其毒性機(jī)制提供了代謝層面的證據(jù)鏈。
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圖7. 測序分析推斷m1A可能是影響石墨烯導(dǎo)致纖維化和鐵死亡的關(guān)鍵因素。
A) 時(shí)間序列的KEGG通路分析。
B) 石墨烯暴露后0.5、3、7、14和28天小鼠肺中排名前10的差異代謝物（DMs）。
C) 根據(jù)物質(zhì)分類統(tǒng)計(jì)石墨烯暴露后每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的差異代謝物數(shù)量。
D–G) 基于時(shí)間序列分析的差異代謝物聚類。
解析：
這張圖通過KEGG通路分析和時(shí)間序列代謝組學(xué)，揭示了m1A修飾在石墨烯誘導(dǎo)的肺纖維化和鐵死亡中的核心調(diào)控作用。
²
KEGG通路分析（A）：展示了隨時(shí)間變化的顯著富集通路，提示石墨烯毒性涉及鐵死亡、纖維化及m1A相關(guān)代謝通路。
²
差異代謝物（B, C）：篩選出各時(shí)間點(diǎn)顯著變化的代謝物，并按其化學(xué)類別（如脂質(zhì)、氨基酸）分類統(tǒng)計(jì)，反映了石墨烯暴露后肺組織的動(dòng)態(tài)代謝紊亂。
²
時(shí)間序列聚類（D–G）：將差異代謝物按時(shí)間模式聚類，識(shí)別出早期、中期和晚期響應(yīng)的代謝物群，為理解m1A如何逐步驅(qū)動(dòng)病理進(jìn)程提供了時(shí)序證據(jù)。
該圖與前文“m1A是石墨烯暴露的響應(yīng)性生物標(biāo)志物”的結(jié)論相呼應(yīng)，為m1A介導(dǎo)石墨烯毒性提供了系統(tǒng)的代謝組學(xué)證據(jù)鏈。
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圖8. m1A水平主要由甲基化酶TRMT6和TRMT61A調(diào)控。
A–E) 通過Dot blot檢測石墨烯暴露后不同時(shí)間點(diǎn)小鼠肺組織中m1A的水平。
F–H) 采用RT-qPCR定量TRMT6、TRMT61A和ALKBH3的表達(dá)水平。
I–M) 通過Western blot分析TRMT6/TRMT61A的蛋白表達(dá)。誤差條表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差。*p < 0.05 vs 鹽水組，#p < 0.05 vs 石墨烯-L組，&p < 0.05 vs 石墨烯-M組。
解析：
這張圖通過Dot blot、RT-qPCR和Western blot等技術(shù)，系統(tǒng)展示了石墨烯如何通過調(diào)控TRMT6/TRMT61A甲基化酶來影響m1A修飾水平，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)肺纖維化。
²
m1A水平動(dòng)態(tài)（A–E）：Dot blot定量顯示，石墨烯暴露后肺組織中m1A修飾水平隨時(shí)間顯著變化，提示其與纖維化進(jìn)程密切相關(guān)。
²
酶表達(dá)分析（F–M）：RT-qPCR和Western blot證實(shí)，TRMT6和TRMT61A（m1A的“書寫者”）表達(dá)上調(diào)，而ALKBH3（m1A的“擦除者”）表達(dá)下調(diào)，導(dǎo)致m1A凈水平升高。這種甲基化酶/去甲基化酶的失衡是m1A修飾異常的關(guān)鍵機(jī)制。
²
統(tǒng)計(jì)學(xué)差異：通過*、#、&符號(hào)標(biāo)記的顯著性差異，明確了石墨烯暴露劑量（L、M）與時(shí)間對(duì)m1A及相關(guān)酶表達(dá)的劑量-效應(yīng)關(guān)系。
該圖與前文“m1A是石墨烯暴露的響應(yīng)性生物標(biāo)志物”的結(jié)論相呼應(yīng)，為m1A介導(dǎo)石墨烯毒性提供了分子層面的證據(jù)鏈。
這項(xiàng)研究揭示了納米石墨烯材料在暴露后對(duì)肺部組織和免疫器官造成的損傷，并確認(rèn)了其誘導(dǎo)的肺纖維化過程伴隨著細(xì)胞鐵死亡的發(fā)生。通過代謝組學(xué)分析，研究發(fā)現(xiàn)了15種持續(xù)差異表達(dá)的代謝物，并鑒定1-甲基腺苷（m1A）為關(guān)鍵的響應(yīng)性生物標(biāo)志物。機(jī)制上，m1A通過其甲基轉(zhuǎn)移酶TRMT6/TRMT61A發(fā)揮重要功能，調(diào)控石墨烯誘導(dǎo)的纖維化和鐵死亡。這些發(fā)現(xiàn)為理解石墨烯的毒性效應(yīng)提供了新的理論框架，并提示靶向m1A修飾系統(tǒng)可能成為預(yù)防或治療石墨烯相關(guān)健康風(fēng)險(xiǎn)的新策略。DOI: 10.1002/smll.202508818
這篇文獻(xiàn)的創(chuàng)新點(diǎn)在于首次揭示了m1A修飾（一種tRNA甲基化修飾）在石墨烯誘導(dǎo)的肺纖維化中扮演關(guān)鍵調(diào)控角色，并發(fā)現(xiàn)其甲基轉(zhuǎn)移酶TRMT6/TRMT61A是石墨烯毒性的核心靶點(diǎn)。研究通過多組學(xué)分析，系統(tǒng)解析了石墨烯通過m1A修飾觸發(fā)鐵死亡和纖維化的分子機(jī)制，為納米材料毒性評(píng)估提供了全新視角。此外，研究還鑒定出血清m1A水平可作為石墨烯暴露的生物標(biāo)志物，并提出了靶向TRMT6/TRMT61A的治療策略，為石墨烯的安全應(yīng)用和毒性干預(yù)提供了理論依據(jù)。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
