超微細な二酸化ケイ素ナノ粒子は、酸化ストレスによって活性化されたPI3K/Aktを介したミトコンドリアおよび小胞体ストレス依存性のシグナル伝達経路を介して肺上皮細胞のアポトーシスを引き起こす

Ultrafine silicon dioxide nanoparticles cause lung epithelial cells apoptosis via oxidative stress-activated PI3K/Akt-mediated mitochondria- and endoplasmic reticulum stress-dependent signaling pathways.

• Kuan-I Lee
• Chin-Chuan Su
• Kai-Min Fang
• Chin-Ching Wu
• Cheng-Tien Wu
• Ya-Wen Chen

抄録

二酸化ケイ素ナノ粒子（SiONPs）は、工業、化学、化粧品などに広く応用されています。SiONPsは肺毒性を誘導することが知られている。本研究では、肺胞上皮細胞（L2）モデルを用いて、SiONPsの肺毒性に対する分子機構を調べました。一次粒子径12nmのSiONPsは、細胞内Siの蓄積、細胞生存率の低下、界面活性剤タンパク質(SP)-A, SP-B, SP-C, SP-Dを含む界面活性剤のmRNA発現の低下を引き起こした。SiONPsはL2細胞のアポトーシスを誘導した。アネキシンVの蛍光、カスパーゼ-3活性、および開裂ポリ（ADP-リボース）ポリメラーゼ（PARP）、開裂カスパーゼ-9、および開裂カスパーゼ-7のタンパク質発現の増加が観察された。SiONPsにより誘導されたカスパーゼ-3活性は、カスパーゼ-3阻害剤Z-DEVD-FMKの前処理により逆転した。SiONPs曝露は、活性酸素種（ROS）産生を増加させ、ミトコンドリア膜貫通電位を低下させ、L2細胞におけるBcl-2のタンパク質およびmRNA発現を低下させた。SiONPsは、サイトソリックシトクロムcとBaxのタンパク質発現を増加させ、Bid、Bak、BaxのmRNA発現を増加させた。SiONPsは、CHOP, XBP-1, phospho-eIF2αタンパク質発現の増加、およびpro-caspase-12タンパク質発現の減少を含む小胞体ストレス関連シグナルを誘導することができた。SiONPsは、ホスホイノシタイド3-キナーゼ（PI3K）活性とAKTのリン酸化を増加させた。活性酸素阻害剤Ｎ-アセチル-Ｌ-システイン（ＮＡＣ）およびＰＩ３Ｋ阻害剤ＬＹ２９４００２の両方が、上記のＳｉＯＮＰｓ誘導シグナルを逆転させた。しかし、LY294002はSiONPs誘導性の活性酸素発生を抑制することはできなかった。これらの知見は、SiONPsが活性酸素を制御するPI3K/AKTシグナルとその下流のミトコンドリアおよびERストレス依存性シグナル伝達経路を介して、L2細胞のアポトーシスを誘導することを初めて示した。

Silicon dioxide nanoparticles (SiONPs) are widely applied in industry, chemical, and cosmetics. SiONPs is known to induce pulmonary toxicity. In this study, we investigated the molecular mechanisms of SiONPs on pulmonary toxicity using a lung alveolar epithelial cell (L2) model. SiONPs, which primary particle size was 12 nm, caused the accumulation of intracellular Si, the decrease in cell viability, and the decrease in mRNAs expression of surfactant, including surfactant protein (SP)-A, SP-B, SP-C, and SP-D. SiONPs induced the L2 cell apoptosis. The increases in annexin V fluorescence, caspase-3 activity, and protein expression of cleaved-poly (ADP-ribose) polymerase (PARP), cleaved-caspase-9, and cleaved-caspase-7 were observed. The SiONPs induced caspase-3 activity was reversed by pretreatment of caspase-3 inhibitor Z-DEVD-FMK. SiONPs exposure increased reactive oxygen species (ROS) production, decreased mitochondrial transmembrane potential, and decreased protein and mRNA expression of Bcl-2 in L2 cells. SiONPs increased protein expression of cytosolic cytochrome c and Bax, and mRNAs expression of Bid, Bak, and Bax. SiONPs could induce the endoplasmic reticulum (ER) stress-related signals, including the increase in CHOP, XBP-1, and phospho-eIF2α protein expressions, and the decrease in pro-caspase-12 protein expression. SiONPs increased phosphoinositide 3-kinase (PI3K) activity and AKT phosphorylation. Both ROS inhibitor N-acetyl-l-cysteine (NAC) and PI3K inhibitor LY294002 reversed SiONPs-induced signals described above. However, the LY294002 could not inhibit SiONPs-induced ROS generation. These findings demonstrated first time that SiONPs induced L2 cell apoptosis through ROS-regulated PI3K/AKT signaling and its downstream mitochondria- and ER stress-dependent signaling pathways.