背景:碳黑(Carbon Black,CB)是纯元素碳的黑色细粉末,商业化的碳黑颗粒Printex 90已被用作空气污染研究中具有代表性的含碳颗粒毒物模型。体外和体内研究证明了纳米级碳黑颗粒的潜在健康影响,包括引起早期肺部反应,血管效应,基因毒性和生殖毒性,但其对骨骼健康的影响仍不清楚。由于暴露于高水平的碳黑是一个日益严重的问题,因此了解碳黑对骨骼健康的影响是有必要的。骨骼是一个不断重塑的动态组织,在骨重建过程中,骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)不断进行着进行分化和骨形成。MSCs是具有自我更新和分化潜力的多能干细胞,它来源广泛,并具有在体外分化成多种细胞谱系的能力,包括分化为成骨细胞。在MSCs成骨分化中,线粒体发挥着作用,线粒体的健康通过线粒体生物合成以及动态融合和分裂共同维持,线粒体自噬负责分离和去除损伤的线粒体。同时,线粒体也是评价纳米材料毒性的潜在靶标,所以我们评估了碳黑(Printex 90)对骨髓间充质干细胞(MSCs)成骨分化的影响。结果:1.Printex 90呈球形,粒径为14nm,在含有10%FBS的培养基中分散度较好。分离的原代细胞中,MSCs的表面因子CD29,CD44和CD90均呈阳性,CD45为阴性,认为分离的原代MSCs纯度极高,茜素红S染色和油红O染色证明原代MSCs具有成骨和成脂分化的能力。2.利用透射电镜在MSCs细胞质中观察到Printex 90,证明MSCs可以内吞Printex 90。高剂量的Printex 90呈剂量-反应关系地降低MSCs活力,而在0.03μg/ml及以下剂量对细胞活力没有明显影响,低剂量Printex 90(3 ng/ml和30 ng/ml)对MSCs在成骨诱导培养基中培养7天后的细胞活力没有影响,但是表现出抑制MSCs的成骨分化。Printex 90引起成骨细胞标志物ALP,Bglap和Runx2的下调,碱性磷酸酶(ALP)的活性降低以及MSCs成骨诱导的矿化结节减少。3.随着成骨过程中Printex 90暴露时间的延长和剂量的增加,线粒体形态结构逐渐改变。在30ng/ml Printex 90暴露7天时,观察到MSCs中溶解的线粒体嵴,肿胀和异常密度的线粒体。Printex 90处理引起细胞ATP产生减少,线粒体因为电子呼吸链中的ATP酶(ATP5A)表达减少而表现呼吸作用受损,基础氧气消耗速率(OCR)、ATP合成相关的呼吸氧耗率、最大呼吸氧耗率、储备呼吸能力和非线粒体呼吸的氧耗率下降,线粒体膜去极化。线粒体的数量和质量受到线粒体生物合成,线粒体动力学和线粒体自噬的严格控制。Printex 90处理抑制了线粒体DNA(mtDNA)的合成,抑制线粒体生物合成的转录因子PGC-1α,Nrf1和TFAM,表明在成骨分化中Printex 90处理导致线粒体生物合成减少。融合相关因子Mfn1、Mfn2、Opa1和分裂相关因子Drp1、Fis1的减少,证明Printex90抑制线粒体动力学的融合和分裂过程。PINK1在Printex90处理的细胞中增加,更多的Parkin被募集到线粒体,表明受损的线粒体增加,线粒体自噬增加。结论:本次研究第一次证明了Printex 90抑制MSCs成骨分化,且与Printex90引起的线粒体功能障碍,线粒体生物合成、动力学和线粒体自噬的调节因子的异常表达相关。本研究对制定减少碳黑接触,减轻其有害影响的卫生策略具有一定意义。