血脑屏障通过脑微血管内皮细胞、星形胶质细胞、周细胞、胞外基质膜和紧密连接来阻止毒素、病原体和循环白细胞等从血液进入大脑，对维持中枢神经系统动态平衡和正常生理功能至关重要。血脑屏障完整性是神经系统健康的标志，而血脑屏障损伤是多种神经退行性疾病的重要发病原因。已有证据证实纳米颗粒可通过转胞吞作用和损伤血脑屏障等方式跨越血脑屏障，造成神经系统损伤。然而，吸入暴露的纳米颗粒仅有十万分之一可以通过血液循环转移到大脑，且目前没有证据表明易位的纳米颗粒对大脑有直接影响。因此，纳米颗粒吸入暴露通过何种途径引起血脑屏障损伤的毒作用机制尚不明确。
近日，青岛大学公共卫生学院联合国家纳米科学中心和河北医科大学相关研究团队在Nano Today（中科院大类1区，IF=18.962）上发表了题为“The domino effect in inhaled carbon black nanoparticles triggers blood–brain barrier disruption via altering circulatory inflammation”的研究论文。评估了吸入暴露炭黑纳米颗粒（CBNPs）对血脑屏障的毒性效应，提出了多米诺效应假说来解释吸入纳米颗粒导致的肺外毒性，并证明了局部和循环炎症、Wnt/β-catenin信号通路和紧密连接之间的级联过程在吸入暴露CBNPs致血脑屏障损伤过程中的关键作用。
针对吸入暴露CBNPs能否损伤血脑屏障，项目团队通过构建气管滴注CBNPs小鼠模型，并腹腔注射可表征血脑屏障完整性的标志物（荧光素钠、伊文思蓝和FITC标记的葡聚糖），评估其血脑屏障完整性。研究发现急性吸入暴露CBNPs可增加血脑屏障通透性。获取气管滴注炭黑纳米颗粒小鼠脑微血管组织进行全长转录组测序分析，结果显示CBNPs暴露抑制脑微血管内皮组织的Wnt/β-catenin信号通路和紧密连接。基于利用研究团队前期建立的在体-离体生物感受器（Ex vivo biosensor assay）模型，结合全长转录组测序、蛋白免疫印迹、跨膜电阻和伤口愈合等实验，阐明吸入暴露CBNPs小鼠的血清中存在可诱导小鼠原代脑微血管内皮细胞的Wnt/β-catenin信号通路下调、紧密连接抑制的关键作用组分。采用Luminex多因子定量分析技术检测气管滴注CBNPs小鼠的血清和肺泡灌洗液中的循环炎症因子。联合体外添加循环炎症因子（TNF-α、IL-1β和IL-6），明确吸入暴露CBNPs增加的循环炎症因子可通过抑制脑微血管内皮细胞Wnt/β-catenin信号通路显著降低紧密连接（ZO-1和claudin-5）的表达。最后，通过对气管滴注CBNPs小鼠进行腹腔注射临床抗炎药地塞米松，发现地塞米松有效逆转了肺部和循环炎症反应及血脑屏障损伤。基于上述实验证据，研究团队证实了吸入炭黑纳米颗粒具有类似多米诺骨牌效应，通过逐级的生理学响应途径，最终传导到脑血管，引起潜在的神经系统损伤风险。
本研究发现吸入暴露纳米颗粒可引发肺外系统损伤的多米诺效应，阐明了吸入暴露炭黑纳米颗粒诱导脑微血管内皮细胞损伤和功能障碍的毒性机制，为吸入暴露纳米颗粒导致中枢系统疾病的机制阐释提供了新的视角和重要参考。 青岛大学唐敬龙教授、国家纳米科学中心刘晶教授和河北医科大学张荣教授为本文共同通讯作者，青岛大学公共卫生学院博士研究生程文婷、张婉君和硕士研究生夏筱文为本文共同第一作者。该课题得到国家自然科学基金 (92043202、91943301、81872600和81872651)和广东省自然科学基金(2018B030312005)的支持。
