石墨烯是一種新型的二維碳基材料，已成為風能和光伏能源收集和存儲設(shè)施的重要組成部分。其廣泛的應(yīng)用引發(fā)了人們對其職業(yè)吸入暴露的日益關(guān)注，亟需確定相關(guān)的健康風險并制定預(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。在這項研究中，我們發(fā)現(xiàn)石墨烯暴露的時間和劑量增加導(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)得到了進一步證實。此外，1-甲基腺苷（m1A）被鑒定為石墨烯暴露的響應(yīng)性生物標志物，功能驗證表明其涉及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展過程中的關(guān)鍵信號傳導(dǎo)，并可以作為一個潛在的石墨烯暴露生物標志物。針對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準流程，用于確認材料的純度、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）強度比（ID/IG=0.17）表明所用石墨烯缺陷密度低，2D峰特征則進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，與理論層間距計算的結(jié)果一致。DLS結(jié)果顯示其水動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，并確認了其納米級尺寸特征。
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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)炎癥細胞浸潤、肺泡結(jié)構(gòu)破壞等病理變化，與文獻中“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及相關(guān)炎性因子的動態(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的RT-qPCR分析。F–J) 纖維化指標的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±標準差。*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，即細胞外基質(zhì)（膠原）的異常積累。
²
纖維化指標（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）的表達水平，其動態(tài)變化揭示了石墨烯如何激活成纖維細胞并驅(qū)動纖維化進程。
²
炎性因子（M–P）：檢測了IL-6、TNF-α等促炎因子的表達，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)計學(xué)差異：通過*、#、&符號標記的顯著性差異，明確了石墨烯暴露劑量（L、M）與時間對纖維化/炎癥指標的劑量-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)鍵指標速查表
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器官/系統(tǒng) |
病理變化 |
潛在機制 |
關(guān)鍵檢測指標 |
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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、血栓形成風險增加 |
氧化應(yīng)激、細胞膜損傷、血小板激活、紅細胞膜損傷 |
- 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（淋巴細胞減少、濾泡紊亂）、免疫功能抑制 |
免疫細胞功能抑制、網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除障礙 |
- 免疫細胞計數(shù)（T/B細胞亞群）- 細胞因子譜（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)皮功能標志物（eNOS, vWF） |
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肝臟 |
肝細胞變性、脂肪變性、代謝和解毒功能受損 |
細胞攝取、氧化應(yīng)激、線粒體損傷 |
- 肝功能指標（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（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) |
認知和行為異常、神經(jīng)細胞凋亡、血腦屏障通透性增加 |
血腦屏障穿透、神經(jīng)信號干擾、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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分子機制 |
鐵死亡、m1A修飾異常、細胞周期紊亂、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 |
- 鐵死亡標志物（GPX4, ACSL4）- m1A修飾水平（m1A-seq）- DNA損傷標志物（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）、Western blot（蛋白水平）、IHC（蛋白定位）。
² 生化指標：ELISA（細胞因子）、比色法（酶活性）、流式細胞術(shù)（細胞亞群）。
2. 統(tǒng)計學(xué)差異：顯著性標記（*p < 0.05 vs 對照組）需結(jié)合具體實驗設(shè)計。
3. 應(yīng)用場景：適用于石墨烯暴露的毒性評估、機制研究及預(yù)防策略制定。如需進一步細化某類指標（如特定基因/蛋白的檢測方法），可提供具體方向進行補充！
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圖4. 石墨烯驅(qū)動的肺纖維化病理過程伴隨線粒體和鐵死亡標志物的變化。
A) 石墨烯暴露后肺組織細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的RT-qPCR分析。F–J) 鐵死亡指標的Western blot分析。K) 小鼠肺組織中SLC7A11的IHC染色。誤差條表示均值±標準差。*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（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）的表達水平，其動態(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（K）：IHC染色顯示SLC7A11（胱氨酸/谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白）的表達變化，進一步證實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)計學(xué)差異：通過*、#、&符號標記的顯著性差異，明確了石墨烯暴露劑量（L、M）與時間對鐵死亡/纖維化指標的劑量-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染色。B, C) 使用試劑盒檢測石墨烯暴露后不同時間點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±標準差。*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)計學(xué)差異：通過*、#、&符號標記的顯著性差異，明確了石墨烯暴露劑量（L、M）與時間對亞鐵和脂質(zhì)過氧化指標的劑量-效應(yīng)關(guān)系。
該圖與前文“石墨烯驅(qū)動肺纖維化伴隨鐵死亡”的結(jié)論相呼應(yīng)，為理解其毒性機制提供了氧化應(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個時間點的共同差異代謝物。
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（如不同劑量或時間點）間的共同和特有差異代謝物，揭示了石墨烯暴露的劑量-時間依賴性代謝響應(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個時間點）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)計石墨烯暴露后每個時間點的差異代謝物數(shù)量。
D–G) 基于時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）：篩選出各時間點顯著變化的代謝物，并按其化學(xué)類別（如脂質(zhì)、氨基酸）分類統(tǒng)計，反映了石墨烯暴露后肺組織的動態(tài)代謝紊亂。
²
時間序列聚類（D–G）：將差異代謝物按時間模式聚類，識別出早期、中期和晚期響應(yīng)的代謝物群，為理解m1A如何逐步驅(qū)動病理進程提供了時序證據(jù)。
該圖與前文“m1A是石墨烯暴露的響應(yīng)性生物標志物”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間點小鼠肺組織中m1A的水平。
F–H) 采用RT-qPCR定量TRMT6、TRMT61A和ALKBH3的表達水平。
I–M) 通過Western blot分析TRMT6/TRMT61A的蛋白表達。誤差條表示均值±標準差。*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，進而驅(qū)動肺纖維化。
²
m1A水平動態(tài)（A–E）：Dot blot定量顯示，石墨烯暴露后肺組織中m1A修飾水平隨時間顯著變化，提示其與纖維化進程密切相關(guān)。
²
酶表達分析（F–M）：RT-qPCR和Western blot證實，TRMT6和TRMT61A（m1A的“書寫者”）表達上調(diào)，而ALKBH3（m1A的“擦除者”）表達下調(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)鍵機制。
²
統(tǒng)計學(xué)差異：通過*、#、&符號標記的顯著性差異，明確了石墨烯暴露劑量（L、M）與時間對m1A及相關(guān)酶表達的劑量-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。
這項研究揭示了納米石墨烯材料在暴露后對肺部組織和免疫器官造成的損傷，并確認了其誘導(dǎo)的肺纖維化過程伴隨著細胞鐵死亡的發(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)性生物標志物。機制上，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)健康風險的新策略。DOI: 10.1002/smll.202508818
這篇文獻的創(chuàng)新點在于首次揭示了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。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制，為納米材料毒性評估提供了全新視角。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
