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Size and surface modification of silica nanoparticles affect the severity of lung toxicity by modulating endosomal ROS generation in macrophages

井上, 正英 名古屋大学

2022.08.24

概要

【緒言】
今日、様々なナノマテリアルが日常生活に用いられている。非晶質性シリカナノ粒子は医薬品、化粧品など様々な分野で汎用されているが、近年その毒性についての報告が相次いでおり、その体内動態の解明、安全性の確立が急務となっている。特に肺は呼吸によって外界と接する臓器であり、微粒子吸引による健康被害が懸念されている。非晶質性シリカナノ粒子による肺毒性メカニズム解明の為、シリカ粒子の粒子径、表面化学修飾の差異による呼吸器系への影響を解析した。

【対象及び方法】
特性が異なる 3 つの非晶質性シリカ粒子(50nm 径表面非修飾(50nm-plain)、同径表面アミノ基修飾粒子(50nm-NH2）、3µm 径非修飾粒子(3µm-plain））をマウス(C57BL/6J、約 8-10 週齢)に単回気管内投与し、72 時間後の肺毒性を評価した。またマウス単球系細胞株 Raw264.7 を用い、上記シリカ粒子に対する反応の差を貪食能、免疫応答、エンドソームにおける ROS(Reactive Oxygen Species)産生の点で評価した。

【結果】
図 1　ナノシリカをマウスに投与すると、サイズ、表面修飾の違いによってフェノタイプに差が生じた。
ナノシリカをマウスの気管内に投与すると、vehicle、3µm-plain 投与群では体重はほぼ変わらないが、50nm-plalin 群では 3 日目まで体重が減少し、50nm-NH2 群では減少した体重が 3 日目には回復に転じた(図 1A)。ナノシリカ投与後 72 時間の肺の病理組織像では 50nm-plain 群で主に好中球による炎症所見を認めたが、3µm-plain 群、50nm-NH2 群では炎症像は軽度であった(図 1B-D)。

図 2　50nm-plain を気管内に投与した群は、肺内の好中球と好中球を誘導するケモカインの増加を認めたが、3µm-plain 群、50nm-NH2 群では増加は見られない。
ナノシリカを投与したマウスの肺胞洗浄液中の細胞分画を解析すると、50nm-plain群では好中球が有意に増加した(図 2C)。さらに肺組織において、50nm-plain ではMIP2、 TNFα、MIP1α といったケモカインの増加を認めたが、3µm-plain 群、50nm-NH2 群では増加は見られなかった(図 2F-H)。

図 3　マウス単球系細胞株 RAW264.7 細胞にナノシリカを投与すると、サイズ、表面修飾の違いによって貪食、ケモカインの発現に差が生じる。
マウス単球系細胞株である Raw264.7 細胞を用いて蛍光免染、フローサイトメトリーを行ったところ、3µm-plain 群の貪食率は 50nm のシリカ粒子に比べて低下していた (図 3A-C)。MIP2、TNFα、MIP1α といったケモカインの発現は 50nm-plain 群と比べて 50nm-NH2 群で低下していた(図 3D,E,F)。

図 4　ナノシリカは RAW264.7 細胞に貪食されるとエンドソーム内に集簇する。
蛍光標識デキストランを用いて、RAW264.7 細胞に貪食された後のナノシリカの局在を評価したところ、50nm-plain、50nm-NH2 共にエンドソーム内にあることが分かった。

図 5　ナノシリカによるケモカインの産生は、NOX2 による endosomal ROS を介している。
ナノシリカ投与時 RAW264.7 細胞内で産生された ROS を測定するため、DCFDA を用いて評価した。その結果 50nm-plain 群で増加したが 50nm-NH2 群では低下した(図 5A,B)。次に ROS とケモカイン発現との関連を調べる為に、ROS スカベンジャーである N-アセチルシステインを加えてナノシリカを投与すると、ケモカインの発現は低下した(図 5C-E)。マクロファージなどの貪食細胞ではエンドソームの NOX2(NADPH オキシダーゼ)が ROS を産生することが知られている。エンドソーム内の ROS を特異的に可視化するために OxyBURST Green reagent を用いて評価したところ、50nm-plain 群では細胞内に複数個の puncta を認めるのに対して、50nm-NH2 群では有意に少なかった(図 5F,G)。endosomal ROS とケモカイン発現の関係を調べるために、NOX2 を特異的に阻害する gp91ds-tat を投与したところ、ケモカインの発現は有意に低下した(図 5H-J)。

【考察】
今回の研究でシリカ粒子が肺で引き起こす炎症の程度、シリカ粒子を貪食したマクロファージが産生するケモカインの量が、シリカ粒子のサイズ、表面修飾の違いによって差があることが明らかとなった。RAW264.7 細胞を用いて各シリカ粒子の貪食に関して評価したところ、3µm のサイズでは RAW264.7 細胞の貪食が少なかったのに対して、50nm のサイズでは表面修飾の有無に関係なく RAW264.7 細胞への貪食は同程度であった。以上から、50nm-plain と 50nm-NH2 によるケモカイン発現の差はRAW264.7細胞に貪食された後の反応の違いによって起こると考えられた。RAW264.7 細胞内でのシリカ粒子の局在を調べたところ、エンドソーム内にあることが分かった。そして、エンドソーム内の ROS に注目したところ、50nm-NH2 では 50nm-plain に比べて発現が低下した。エンドソームにおける ROS の産生に関与する NOX2 を特異的に阻害する gp91ds-tat を投与すると、ケモカインの発現が著明に低下した。以上から、シリカ粒子によって RAW264.7 細胞がケモカインを発現するには NOX2 を介した ROS の産生が重要であることが分かった。
今回の研究ではシリカ粒子の表面修飾の差異と NOX2 活性化との関連性に関して依然として明らかでない。それに対して我々は以下の 2 つの仮説を立てた。1 つ目は、シリカナノ粒子がエンドソーム内に蓄積し、シリカナノ粒子表面のシラノール基がエンドソーム膜に作用し、small rupture を起こすという仮説である。エンドソーム内のプロトンやカルシウムイオンが small rupture を介して細胞質内に漏れ出すことで NOX2 活性化のトリガーとなっているかもしれない。2 つ目は、シリカナノ粒子を認識するスカベンジャー受容体がエンドソーム膜に存在し、粒子を認識することで NOX2 を活性化させているという仮説である。50nm-NH2 はスカベンジャー受容体に対する親和性が低く、NOX2 が活性化せず、ROS の産生が低下する可能性を考えた(図 6)。今回の研究結果から、シリカナノ粒子が引き起こす肺毒性のメカニズムとしてエンドソーム内の ROS の産生が重要である事が明らかとなった。更に、エンドソーム内の ROS 産生には NOX2 が重要であり、これを制御する事で肺炎症を司るケモカインの産生を制御できる事が示唆された。今回得られた知見を基に、今後は他の名のマテリアルやPM2.5 などの環境中の微粒子がもたらす肺毒性が同様のメカニズムで起こっているのかを検討し、微粒子が引き起こす肺毒性の治療に NOX2 の制御が有効かどうか、更なる研究を行っていく必要がある。

【結語】
非晶質性シリカ粒子による肺傷害において、粒子径は貪食細胞への貪食効率に、表面化学修飾は貪食細胞の NOX2 を介したエンドソーム内 ROS 産生に、それぞれ影響して肺傷害の程度を制御している事が示唆された。

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参考文献

1. Tang L, Cheng J. Nonporous silica nanoparticles for nanomedicine application. Nano Today. 2013;8(3):290–312. https://doi.org/10.1016/j.na ntod.2013.04.007.

2. Napierska D, Thomassen LC, Lison D, Martens JA, Hoet PH. The nanosilica hazard: another variable entity. Part Fibre Toxicol. 2010;7(1):39. https://doi. org/10.1186/1743-8977-7-39.

3. Murugadoss S, Lison D, Godderis L, Van Den Brule S, Mast J, Brassinne F,et al. Toxicology of silica nanoparticles: an update. Arch Toxicol. 2017;91(9): 2967–3010. https://doi.org/10.1007/s00204-017-1993-y.

4. Khanna P, Ong C, Bay BH, Baeg GH. Nanotoxicity: an interplay of oxidative stress, inflammation and cell death. Nanomaterials. 2015;5(3):1163–80. https://doi.org/10.3390/nano5031163.

5. Stern ST, Adiseshaiah PP, Crist RM. Autophagy and lysosomal dysfunction as emerging mechanisms of nanomaterial toxicity. Part Fibre Toxicol. 2012;9(1):20. https://doi.org/10.1186/1743-8977-9-20.

6. Wang F, Gómez-Sintes R, Boya P. Lysosomal membrane permeabilization and cell death. Traffic (Copenhagen, Denmark). 2018;19(12):918–31. https:// doi.org/10.1111/tra.12613.

7. Uemura E, Yoshioka Y, Hirai T, Handa T, Nagano K, Higashisaka K, et al. Relationship between size and surface modification of silica particles and enhancement and suppression of inflammatory cytokine production by lipopolysaccharide- or peptidoglycan-stimulated RAW264.7 macrophages. J Nanopart Res. 2016;18(6):165. https://doi.org/10.1007/s11051-016-3475-1.

8. Kusaka T, Nakayama M, Nakamura K, Ishimiya M, Furusawa E, Ogasawara K. Effect of silica particle size on macrophage inflammatory responses. PLOS ONE. 2014;9(3):e92634. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0092634.

9. Forman HJ, Torres M. Reactive oxygen species and cell signaling. Am J Respir Crit Care Med. 2002;166(supplement_1):S4–8. https://doi.org/10.1164/ rccm.2206007.

10. Lambeth JD. Nox/Duox family of nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate) oxidases. Curr Opin Hematol. 2002;9(1):11–7. https://doi.org/1 0.1097/00062752-200201000-00003.

11. Oakley FD, Abbott D, Li Q, Engelhardt JF. Signaling components of redox active endosomes: the redoxosomes. Antioxid Redox Signal. 2009;11(6): 1313–33. https://doi.org/10.1089/ars.2008.2363.

12. Bedard K, Krause K-H. The NOX family of ROS-generating NADPH oxidases: physiology and pathophysiology. Physiol Rev. 2007;87(1):245–313. https://doi.org/10.1152/physrev.00044.2005.

13. Henderson RF. Use of bronchoalveolar lavage to detect lung damage. Environ Health Perspect. 1984;56:115–29. https://doi.org/10.1289/ehp.8456115.

14. Driscoll KE, Hassenbein DG, Carter J, Poynter J, Asquith TN, Grant RA, et al. Macrophage inflammatory proteins 1 and 2: expression by rat alveolar macrophages, fibroblasts, and epithelial cells and in rat lung after mineral dust exposure. Am J Respir Cell Mol Biol. 1993;8(3):311–8. https://doi.org/1 0.1165/ajrcmb/8.3.311.

15. Schmal H, Shanley TP, Jones ML, Friedl HP, Ward PA. Role for macrophage inflammatory protein-2 in lipopolysaccharide-induced lung injury in rats. J Immunol. 1996;156(5):1963–72.

16. Ortiz LA, Lasky J, Lungarella G, Cavarra E, Martorana P, Banks WA, et al. Upregulation of the p75 but not the p55 TNF-α receptor mRNA after silica and bleomycin exposure and protection from lung injury in double receptor knockout mice. Am J Respir Cell Mol Biol. 1999;20(4):825–33. https://doi.org/10.1165/ajrcmb.20.4.3193.

17. Mossman BT, Churg A. Mechanisms in the Pathogenesis of Asbestosis and Silicosis. Am J Respir Crit Care Med. 1998;157(5):1666–80. https://doi.org/1 0.1164/ajrccm.157.5.9707141.

18. Papadopoulos C, Kirchner P, Bug M, Grum D, Koerver L, Schulze N, et al. VCP/p97 cooperates with YOD1, UBXD1 and PLAA to drive clearance of ruptured lysosomes by autophagy. EMBO J. 2017;36(2):135–50. https://doi. org/10.15252/embj.201695148.

19. Maejima I, Takahashi A, Omori H, Kimura T, Takabatake Y, Saitoh T, et al. Autophagy sequesters damaged lysosomes to control lysosomal biogenesis and kidney injury. EMBO J. 2013;32(17):2336–47. https://doi.org/10.1038/ emboj.2013.171.

20. Ushio-Fukai M. Compartmentalization of redox signaling through NADPH oxidase-derived ROS. Antioxid Redox Signal. 2009;11(6):1289–99. https://doi. org/10.1089/ars.2008.2333.

21. Rey FE, Cifuentes ME, Kiarash A, Quinn MT, Pagano PJ. Novel competitive inhibitor of NAD(P) H oxidase assembly attenuates vascular O2 and systolic blood pressure in mice. Circ Res. 2001;89(5):408–14. https://doi.org/10.1161/ hh1701.096037.

22. Wottrich R, Diabaté S, Krug HF. Biological effects of ultrafine model particles in human macrophages and epithelial cells in mono- and co- culture. Int J Hyg Environ Health. 2004;207(4):353–61. https://doi.org/1 0.1078/1438-4639-00300.

23. Napierska D, Thomassen LCJ, Rabolli V, Lison D, Gonzalez L, Kirsch-Volders M, et al. Size-dependent cytotoxicity of monodisperse silica nanoparticles in human endothelial cells. Small. 2009;5(7):846–53. https://doi.org/10.1002/ smll.200800461.

24. Costantini LM, Gilberti RM, Knecht DA. The phagocytosis and toxicity of amorphous silica. PLOS ONE. 2011;6(2):e14647. https://doi.org/10.1371/ journal.pone.0014647.

25. Kaewamatawong T, Kawamura N, Okajima M, Sawada M, Morita T, Shimada A. Acute pulmonary toxicity caused by exposure to colloidal silica: particle size dependent pathological changes in mice. Toxicol Pathol. 2005;33(7): 745–51. https://doi.org/10.1080/01926230500416302.

26. Aits S, Kricker J, Liu B, Ellegaard A-M, Hämälistö S, Tvingsholm S, et al. Sensitive detection of lysosomal membrane permeabilization by lysosomal galectin puncta assay. Autophagy. 2015;11(8):1408–24. https://doi.org/10.1 080/15548627.2015.1063871.

27. Yoshida T, Yoshioka Y, Matsuyama K, Nakazato Y, Tochigi S, Hirai T, et al. Surface modification of amorphous nanosilica particles suppresses nanosilica-induced cytotoxicity, ROS generation, and DNA damage in various mammalian cells. Biochem Biophys Res Commun. 2012;427(4):748–52. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2012.09.132.

28. Lu X, Jin T, Zheng J, Fan X. The size and surface modification of amorphous silica particles affect the biological processes in murine macrophages. J Nanosci Nanotechnol. 2017;17(2):954–67. https://doi. org/10.1166/jnn.2017.12811.

29. Marzaioli V, Aguilar-Pimentel JA, Weichenmeier I, Luxenhofer G,Wiemann M, Landsiedel R, et al. Surface modifications of silic ananoparticles are crucial for their inert versus proinflammatory and immunomodulatory properties. Int J Nanomedicine. 2014;9:2815–32. https://doi.org/10.2147/IJN.S57396.

30. Kurtz-Chalot A, Klein JP, Pourchez J, Boudard D, Bin V, Alcantara GB, et al. Adsorption at cell surface and cellular uptake of silica nanoparticles with different surface chemical functionalizations: impact on cytotoxicity. J Nanopart Res. 2014;16(11):2738. https://doi.org/10.1007/s11051-014-2738-y.

31. Yu T, Malugin A, Ghandehari H. Impact of silica nanoparticle design on cellular toxicity and hemolytic activity. ACS Nano. 2011;5(7):5717–28. https:// doi.org/10.1021/nn2013904.

32. Morris AS, Adamcakova-Dodd A, Lehman SE, Wongrakpanich A, Thorne PS, Larsen SC, et al. Amine modification of nonporous silica nanoparticles reduces inflammatory response following intratracheal instillation in murine lungs. Toxicol Lett. 2016;241:207–15. https://doi. org/10.1016/j.toxlet.2015.11.006 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4691407/pdf/nihms744010.pdf.

33. Nemmar A, Nemery B, Hoet PHM, Rooijen NV, Hoylaerts MF. Silica particles enhance peripheral thrombosis. Am J Respir Crit Care Med. 2005;171(8):872–9. https://doi.org/10.1164/rccm.200409-1202OC.

34. dos Santos T, Varela J, Lynch I, Salvati A, Dawson KA. Quantitative assessment of the comparative nanoparticle-uptake efficiency of a range of cell lines. Small. 2011;7(23):3341–9. https://doi.org/10.1002/smll.201101076.

35. Giovanni M, Yue J, Zhang L, Xie J, Ong CN, Leong DT. Pro-inflammatory responses of RAW264.7 macrophages when treated with ultralow concentrations of silver, titanium dioxide, and zinc oxide nanoparticles. J Hazard Mater. 2015;297:146–52. https://doi.org/10.1016/j. jhazmat.2015.04.081.

36. Morishige T, Yoshioka Y, Inakura H, Tanabe A, Yao X, Narimatsu S, et al. The effect of surface modification of amorphous silica particles on NLRP3 inflammasome mediated IL-1beta production, ROS production and endosomal rupture. Biomaterials. 2010;31(26):6833–42. https://doi.org/10.101 6/j.biomaterials.2010.05.036.

37. Hamilton RF Jr, Thakur SA, Holian A. Silica binding and toxicity in alveolar macrophages. Free Radic Biol Med. 2008;44(7):1246–58. https://doi.org/10.1 016/j.freeradbiomed.2007.12.027.

38. Li Q, Harraz MM, Zhou W, Zhang LN, Ding W, Zhang Y, et al. Nox2 and Rac1 regulate H2O2-dependent recruitment of TRAF6 to endosomal interleukin-1 receptor complexes. Mol Cell Biol. 2006;26(1):140–54. https://doi.org/10.112 8/MCB.26.1.140-154.2006.

39. Cachat J, Deffert C, Hugues S, Krause K-H. Phagocyte NADPH oxidase and specific immunity. Clin Sci. 2015;128(10):635–48. https://doi.org/10.1 042/cs20140635.

40. Marzaioli V, Groß CJ, Weichenmeier I, Schmidt-Weber CB, Gutermuth J, Groß O, et al. Specific surface modifications of silica nanoparticles diminish inflammasome activation and in vivo expression of selected inflammatory genes. Nanomaterials (Basel). 2017;7(11):355. https://doi.org/10.3390/nano7110355.

41. Rao KMK, Porter DW, Meighan T, Castranova V. The sources of inflammatory mediators in the lung after silica exposure. Environ Health Perspect. 2004; 112(17):1679–85. https://doi.org/10.1289/ehp.7295.

42. Skowyra ML, Schlesinger PH, Naismith TV, Hanson PI. Triggered recruitment of ESCRT machinery promotes endolysosomal repair. Science. 2018; 360(6384):eaar5078. https://doi.org/10.1126/science.aar5078.

43. Nishijima N, Hirai T, Misato K, Aoyama M, Kuroda E, Ishii KJ, et al. Human scavenger receptor A1-mediated inflammatory response to silica particle exposure is size specific. Front Immunol. 2017;8:379. https://doi.org/10.3389/ fimmu.2017.00379.

44. Tsugita M, Morimoto N, Tashiro M, Kinoshita K, Nakayama M. SR-B1 is a silica receptor that mediates canonical inflammasome activation. Cell Reports. 2017;18(5):1298–311. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.01.004.

45. Oberdorster G. Lung particle overload: implications for occupational exposures to particles. Regul Toxicol Pharmacol. 1995;21(1):123–35. https:// doi.org/10.1006/rtph.1995.1017.

46. European Centre for Ecotoxicology and Toxicology of Chemicals. Poorly Soluble Particles/Lung Overload. Technical Report No., 122 2013.

47. Takahashi E, Indalao IL, Sawabuchi T, Mizuno K, Sakai S, Kimoto T, et al. Clarithromycin suppresses induction of monocyte chemoattractant protein-1 and matrix metalloproteinase-9 and improves pathological changes in the lungs and heart of mice infected with influenza A virus. Comp Immunol Microbiol Infect Dis. 2018;56:6–13. https://doi.org/10.1016/j.cimid.2017.11.002.

48. Indalao IL, Sawabuchi T, Takahashi E, Kido H. IL-1β is a key cytokine that induces trypsin upregulation in the influenza virus–cytokine–trypsin cycle. Arch Virol. 2017;162(1):201–11. https://doi.org/10.1007/s00705-016-3093-3.

49. Sakamoto K, Hashimoto N, Kondoh Y, Imaizumi K, Aoyama D, Kohnoh T, et al. Differential modulation of surfactant protein D under acute and persistent hypoxia in acute lung injury. Am J Phys Lung Cell Mol Phys. 2012; 303(1):L43–53. https://doi.org/10.1152/ajplung.00061.2012.

50. Ando A, Hashimoto N, Sakamoto K, Omote N, Miyazaki S, Nakahara Y, et al. Repressive role of stabilized hypoxia inducible factor 1α expression on transforming growth factor β-induced extracellular matrix production in lung cancer cells. Cancer Sci. 2019;110(6):1959–73. https://doi.org/10.1111/cas.14027.

51. Li Q, Spencer NY, Oakley FD, Buettner GR, Engelhardt JF. Endosomal Nox2 facilitates redox-dependent induction of NF-kappaB by TNF-alpha. Antioxid Redox Signal. 2009;11(6):1249–63. https://doi.org/10.1089/ars.2008.2407.

52. To EE, Vlahos R, Luong R, Halls ML, Reading PC, King PT, et al.Endosomal NOX2 oxidase exacerbates virus pathogenicity and is a target for antiviral therapy. Nat Commun. 2017;8(1):69. https://doi.org/1 0.1038/s41467-017-00057-x.

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