兰大赵海谕研究员/蓝贤勇教授等: 纳米NiO对中枢神经系统的毒性效应初探

背景简介

纳米材料由于其独特的物理、光学、机械和电磁性能，被常应用于工业、医疗、环境和能源等领域。其中，纳米氧化镍 (NiO-NPs) 作为一种新型材料已被广泛应用于催化剂、着色剂、磁性材料、氧化剂和药物载体等领域。

虽然 NiO-NPs 的制备和利用极大地促进了科技进步和经济社会发展，但其在各类生态系统中水平的逐渐增加导致了环境污染和健康危害。与其它纳米金属氧化物类似，NiO-NPs 可能穿透细胞膜结构并破坏细胞器的功能，诱发多种细胞毒性，但 NiO-NPs 能否损害中枢神经系统的发育、结构和功能仍不清楚。

因此，深入了解 NiO-NPs 的潜在神经毒性效应和机制对于其大规模应用的安全性评估至关重要。

为此，兰州大学赵海谕研究员团队、西北农林科技大学蓝贤勇教授和德国卡尔斯鲁厄理工学院/海德堡大学 Nicholas S. Foulkes 教授等利用双光子活体成像技术、神经行为监测、超微结构观察等手段，研究环境相关浓度下 NiO-NPs 颗粒对斑马鱼幼鱼中枢神经系统 (CNS) 结构与功能的影响，以及潜在的神经毒性机制。

该成果以 “Nickel oxide nanoparticles induce developmental neurotoxicity in zebrafish by triggering both apoptosis and ferroptosis”(《纳米 NiO 影响中枢神经系统发育与功能的毒性效应初探》) 为题, 发表在英国皇家化学会期刊 Environmental Science: Nano 上。

研究详解

1. NiO-NPs 影响斑马鱼幼鱼的神经行为

神经行为是评估神经发育状态的重要指标之一。在本工作中，研究人员对连续暴露于不同浓度 NiO-NPs 的斑马鱼幼鱼进行了神经行为测试。自发活动测试结果显示， NiO-NPs 处理组斑马鱼幼鱼的游动距离、速度、累积活动时长和加速度等行为参数相较于对照组均显著降低。在振动刺激试验中，斑马鱼幼鱼响应环境刺激的能力随 NiO-NPs 浓度的上升而下降。因此，早期暴露于环境中的 NiO-NPs 可能导致斑马鱼幼鱼的明显神经行为异常。

▲	图 1. Effects of developmental NiO-NPs exposure on neurobehavior of zebrafish larvae.（NiO-NPs对斑马鱼幼鱼神经行为的影响。)

2. NiO-NPs 影响斑马鱼幼鱼的神经发育

NiO-NPs 诱导的神经行为异常暗示着其对早期神经发育的影响。因此，研究人员利用特性性标记神经元及神经元前体细胞的转基因斑马鱼品系，探究了 NiO-NPs 对斑马鱼早期神经发育的影响。通过双光子活体成像发现处理组幼鱼脑顶盖周围层 (PVL) 区域的周室神经元 (PVNs) 密度显著降低且呈现剂量依赖效应，直观反映出 NiO-NPs 诱导的斑马鱼神经发育障碍，而神经发育相关基因的异常表达模式也进一步证明环境 NiO-NPs 暴露对斑马鱼早期神经发育的显著影响。

▲	图 2. NiO-NPs exposure affects neurodevelopment of zebrafish larvae.（NiO-NPs 对斑马鱼幼鱼神经发育的影响。）

3. NiO-NPs 通过激活凋亡和铁死亡诱导神经损伤

NiO-NPs 诱导神经元数目减少的现象也可能是细胞异常死亡导致的。已有研究表明 NiO-NPs 毒性可通过诱导细胞凋亡产生，因此推测 NiO-NPs 会诱导中枢神经系统细胞凋亡。本研究工作采用吖啶橙 (AO) 染色检测幼鱼大脑的细胞凋亡水平，发现随着 NiO-NPs 水平的升高，大脑中的 AO 阳性细胞数量显著增加，而凋亡相关基因的分子表达变化进一步验证了这一现象。铁死亡是一种由铁依赖的氧化损伤引起的新型调节性细胞死亡形式。在进一步实验中，铁离子、MDA、GSH、GSSG 等生理生化指标和铁死亡相关的关键基因表达模式初步表明NiO-NPs会显著影响斑马鱼幼鱼脑组织的铁稳态进而触发细胞铁死亡。线粒体的形态结构变化是铁死亡发生的重要指标之一，研究中通过透射电镜 (TEM) 观察到了 NiO-NPs 诱导的线粒体数量、面积减少，和外膜破坏、内嵴丢失、线粒体基质缺失，进一步证实了 NiO-NPs 诱导的 CNS 铁死亡现象。

▲	图 3. NiO-NPs exposure induces both apoptosis and ferroptosis in zebrafish larvae.（NiO-NPs 诱导斑马鱼幼鱼发生细胞凋亡和铁死亡）

最后，研究人员利用药理学干预的手段，采用凋亡抑制剂 NAC (N-Acetyl-L-cysteine) 和铁死亡抑制剂 DFO (Deferoxamine) 验证这两种程序性细胞死亡形式 (凋亡与铁死亡) 和 NiO-NPs 诱导的发育神经毒性之间的关系，发现分别抑制细胞凋亡和铁死亡途径都会显著减缓 NiO-NPs 诱导的神经行为和神经发育异常，充分表明凋亡和铁死亡激活与 NiO-NPs 诱导的神经毒性密切相关。

总结展望

纳米颗粒在中枢神经系统发育和神经退行性疾病中存在潜在风险，但其中 NiO-NPs 的神经毒性效应及机制却少有关注。

本研究充分利用模式动物斑马鱼在神经成像、神经功能检测、遗传分析等多方面的优势，探讨了 NiO-NPs 如何影响脊椎动物模式生物的神经发育和神经功能。

该研究结果不仅有助于解析 NiO-NPs 诱导的神经毒性作用机制，还为纳米金属氧化物诱导的神经发育、结构和功能损伤提供了理论基础和解决思路。

论文信息

Nickel oxide nanoparticles induce developmental neurotoxicity in zebrafish by triggering both apoptosis and ferroptosis

Zuo Wang§, Yi Bi, Kemin Li, Zan Song, Chuanying Pan, Shengxiang Zhang,  Xianyong Lan (蓝贤勇，西北农林科技大学), Nicholas S. Foulkes (卡尔斯鲁厄理工学院) and Haiyu Zhao (赵海谕，兰州大学)

Environ. Sci.: Nano, 2023, 10, 640-655
https://doi.org/10.1039/D2EN00757F

作者简介

王左 硕士研究生

兰州大学生命科学学院

本文共同第一作者，硕士就读于兰州大学生命科学学院。以第一作者/共同一作在 Chemical Science, Environmental Science: Nano, Free Radical Biology and Medicine, Science of The Total Environment 等期刊发表 SCI 论文 5 篇。目前研究方向为：环境污染物的神经毒性机制研究、非编码 RNA 介导的光照调控生物钟机制研究。

毕谊 硕士研究生

西北农林科技大学动物科技学院

卡尔斯鲁厄理工学院 KIT-IBCS

本文共同第一作者，于西北农林科技大学和德国卡尔斯鲁厄理工学院进行硕士联合培养。以第一作者/共同一作在 Environmental Science: Nano, Theriogenology, Frontiers in Veterinary Science 等期刊发表 SCI 论文 9 篇。目前研究方向为：斑马鱼生物钟调控机制、脂肪发育相关 circRNAs 调控机制。

赵海谕 青年研究员

兰州大学生命科学学院

本文通讯作者，德国海德堡大学博士，兰州大学生命科学学院青年研究员，硕士研究生导师。在发育神经生物学和动物生理学领域取得多项成果，以第一/通讯作者在 Current Biology，PLoS Genetics，iScience，Chemical Science，Science of The Total Environment，Chemosphere，Environmental Science: Nano 等国际学术期刊发表多篇论文，主要研究方向为（1）环境因素对昼夜节律生物钟和DNA损伤修复系统功能与进化的影响机制研究；（2）环境因素（污染物等）对中枢神经系统结构与功能的影响机制研究。

相关期刊

rsc.li/es-nano

Environ. Sci.: Nano

2-年影响因子*	9.473分
5-年影响因子*	9.35分
最高 JCR 分区*	Q1 环境科学
CiteScore 分†	13分
中位一审周期‡	48.5 天

Environmental Science: Nano 全面报道具有环境用途的工程纳米材料的设计和应用研究，以及人工与天然纳米材料在生物和环境体系中的相互作用。发文范围包括但不限于：纳米材料在水、空气、土壤、食物和能源可持续性等领域的新应用；纳米材料在生物系统中的相互作用以及纳米毒理学研究；纳米尺度材料的环境宿命、反应性和转化；环境中的纳米尺度过程；可持续性纳米技术，包括纳米材料的合理设计、生命周期评价、风险／效益分析等。

Editor-in-Chief

• Peter Vikesland
  🇺🇸 弗吉尼亚理工大学

Associate editors

Zhang Lin (林璋) 🇨🇳 中南大学 Iseult Lynch 🇬🇧 伯明翰大学 Antonia Praetorius 🇳🇱 阿姆斯特丹大学

Wei-Guo Song (宋卫国) 🇨🇳 中科院化学所 Kevin James Wilkinson 🇨🇦 蒙特利尔大学

Editorial board members

John Fortner 🇺🇸 耶鲁大学 Leanne Gilbertson 🇺🇸 匹兹堡大学 Jerome Rose 🇫🇷 欧洲环境地球科学研究与教学中心

Wendel Wohlleben 🇩🇪 巴斯夫 Tong Zhang (张彤) 🇨🇳 南开大学

* 2021 Journal Citation Reports (Clarivate, 2022)

^† CiteScore 2021 by Elsevier

^‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件

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