ミトコンドリアの酸化ストレスを介したグラフェン量子ドットによるフェロプトーシスの誘導

Induction of ferroptosis in response to graphene quantum dots through mitochondrial oxidative stress in microglia.

• Tianshu Wu
• Xue Liang
• Xi Liu
• Yimeng Li
• Yutong Wang
• Lu Kong
• Meng Tang

抄録

背景:

グラフェン量子ドット（GQD）は、低毒性化合物を含み、深部組織や微小な血管構造のイメージングが可能であることから、バイオメディカル分野への応用が期待されています。しかし、この新しい量子ドットのバイオセーフティについては、特に中枢神経系（CNS）での安全性が十分に評価されていない。今回のマイクロアレイ解析は、窒素ドープGQDs（N-GQDs）への暴露が、鉄過負荷と脂質過酸化に依存した新しい細胞死の形態であるミクログリアのフェロプトーシスを引き起こす可能性があることを示唆している。

BACKGROUND: Graphene quantum dots (GQDs) provide a bright prospect in the biomedical application because they contain low-toxic compounds and promise imaging of deep tissues and tiny vascular structures. However, the biosafety of this novel QDs has not been thoroughly evaluated, especially in the central nervous system (CNS). The microarray analysis provides a hint that nitrogen-doped GQDs (N-GQDs) exposure could cause ferroptosis in microglia, which is a novel form of cell death dependent on iron overload and lipid peroxidation.

結果:

N-GQDを投与したミクログリアBV2細胞では、細胞質の鉄過剰、グルタチオン（GSH）の枯渇、活性酸素の過剰産生、脂質過酸化（LPO）が観察され、N-GQDがミクログリアの鉄代謝と酸化還元バランスにダメージを与えることが示唆された。また、フェロプティング阻害剤であるフェロスタチン-1（Fer-1）と鉄キレート剤であるデフェロキサミンメシル酸塩（DFO）の前処理は、細胞死を抑制するだけでなく、N-GQDsによって引き起こされたミクログリアの鉄過剰、LPO、フェロプティングバイオマーカーの変化を緩和することが示された。N-GQDsがミクログリアのフェロプトーシスを引き起こす可能性を検討したところ、BV2細胞のミトコンドリアにおける鉄分、活性酸素の発生、LPOレベルのすべてがN-GQDs曝露後に増強されることがわかった。また、ミトコンドリアを標的とした活性酸素捕捉剤MitoTEMPOを前処理してミトコンドリアの抗酸化能力を高めたところ、N-GQDsを投与したBV2細胞ではフェロプトーシスの生物学的変化が効果的に逆転した。さらに、アミノ官能基化GQDs（A-GQDs）はミトコンドリアの酸化還元バランスを穏やかにし、ミクログリアではN-GQDsよりも強精化作用が少ないことから、強精化の原因となるGQDsにおけるアミノ官能基化のわずかな保護が示唆された。

RESULTS: The cytosolic iron overload, glutathione (GSH) depletion, excessive reactive oxygen species (ROS) production and lipid peroxidation (LPO) were observed in microglial BV2 cells treated with N-GQDs, which indicated that N-GQDs could damage the iron metabolism and redox balance in microglia. The pre-treatments of a specific ferroptosis inhibitor Ferrostatin-1 (Fer-1) and an iron chelater Deferoxamine mesylate (DFO) not only inhibited cell death, but also alleviated iron overload, LPO and alternations in ferroptosis biomarkers in microglia, which were caused by N-GQDs. When assessing the potential mechanisms of N-GQDs causing ferroptosis in microglia, we found that the iron content, ROS generation and LPO level in mitochondria of BV2 cells all enhanced after N-GQDs exposure. When the antioxidant ability of mitochondria was increased by the pre-treatment of a mitochondria targeted ROS scavenger MitoTEMPO, the ferroptotic biological changes were effectively reversed in BV2 cells treated with N-GQDs, which indicated that the N-GQDs-induced ferroptosis in microglia could be attributed to the mitochondrial oxidative stress. Additionally, amino functionalized GQDs (A-GQDs) elicited milder redox imbalance in mitochondria and resulted in less ferroptotic effects than N-GQDs in microglia, which suggested a slight protection of amino group functionalization in GQDs causing ferroptosis.

結論:

N-GQDsの曝露はミトコンドリアの酸化ストレスを介してミクログリアでフェロプトーシスを引き起こしたが、A-GQDsは同じ曝露方法ではN-GQDsよりもフェロプトーシス効果がマイルドであった。本研究は、GQDsが誘発する細胞死の様々なタイプの細胞損傷を解明するだけでなく、化学修飾がGQDsの毒性に及ぼす影響についても新たな知見を与えるものと考えられる。

CONCLUSION: N-GQDs exposure caused ferroptosis in microglia via inducing mitochondrial oxidative stress, and the ferroptotic effects induced by A-GQDs were milder than N-GQDs when the exposure method is same. This study will not only provide new insights in the GQDs-induced cell damage performed in multiple types of cell death, but also in the influence of chemical modification on the toxicity of GQDs.