辐射和纳米颗粒物是两类重要的环境污染,可能对组织器官造成急性或慢性损伤,危害人体健康。对这两类环境污染毒理学机制的探索有助于临床相关疾病的诊治,为健康安全防护措施的实施提供必要的理论依据。研究表明辐射及纳米颗粒主要通过凋亡、坏死、炎性响应等机制引发细胞毒性,损伤组织器官,影响人体健康。溶酶体损伤及活性氧释放分别是纳米颗粒物及辐射细胞毒性通路中关键的分子事件。近期研究则表明细胞铁死亡与这两个危害信号密切相关,然而辐射/纳米颗粒暴露与细胞铁死亡相互关系所知有限。本论文围绕这一重要的毒理学问题,开展了辐射/纳米颗粒引发细胞铁死亡机制的探索,取得了以下研究结果:①建立了铁死亡检测方法。在细胞水平,利用铁死亡的引发剂erastin和抑制剂Ferrostatin-1,发展了胞内二价铁离子累积、活性氧产生及脂质过氧化三种铁死亡生物标志物的共聚焦荧光显微镜检测方法。建立了基于代谢酶活性的高通量细胞活性检测方法。②对X射线、γ射线和环境纳米颗粒引发的铁死亡效应进行了比较。研究发现,0-12 Gy的X射线和γ射线对肺呼吸道上皮细胞BEAS-2B引发的细胞铁死亡效应非常有限;WS2、MoS2和氧化石墨烯纳米片则引发显著的细胞铁死亡。③解析了 WS2、MoS2、氧化石墨烯纳米片引发细胞铁死亡的机制。研究发现WS2和MoS2纳米片经胞吞作用进入细胞溶酶体,损伤溶酶体功能导致二价铁离子在胞浆释放。通过芬顿反应,胞浆二价铁诱发脂质过氧化。伴随着上述过程,铁死亡的核心调控蛋白谷胱甘肽过氧化酶4（GPX4）表达量显著降低,抑制胞内氧化脂质的降解,最终导致细胞铁死亡;氧化石墨烯纳米片通过破坏胞内铁稳态,诱导细胞发生铁死亡。④探索了WS2、MoS2纳米片引发铁死亡的生物学构效关系,发展了安全性修饰方法。首先,构建了包括20种纳米片的材料库系统比较了纳米材料五种理化性质和细胞活性的相互关系,发现表面缺陷是引发铁死亡的关键表面性质。基于此发现,发展了WS2、MoS2纳米片的安全性修饰方法包括Na2S表面缺陷修复和甲醇表面钝化。安全性修饰使得WS2、MoS2的细胞毒性分别降低了30.0%和20.8%,肺部炎症因子释放下降了52.1%和47.8%。综上所述,本研究主要得到以下主要结论:1)在12 Gy剂量范围内,X射线和γ射线引发的细胞铁死亡效应非常有限;2)WS2和MoS2以及氧化石墨烯纳米片可引发显著的细胞铁死亡;3)WS2、MoS2纳米片的表面缺陷是诱发细胞铁死亡的关键表面性质;4)Na2S或甲醇预处理可以修复表面缺陷,改善纳米片的生物安全性。本研究发现具有以下三个方面的科学意义:1)WS2和MoS2纳米片引发细胞铁死亡的发现为铁死亡引发剂的开发提供了一个新思路;2)发现亚铁离子亚细胞分布紊乱导致铁死亡的新机制;3)发展了WS2和MoS2纳米片的生物安全性修饰方法,有助于该类纳米材料在生物医药等领域的安全性应用。