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简介：纳米质料因其体积小、用途普遍等特点，在工业和医学领域获得普遍应用。然而，纳米质料也会对康健爆发意想不到的倒运影响。 神经系统袒露于纳米质料会导致严重的神经功效障碍和神经退行性疾病。许多研究接纳种种动物模子来评估纳米质料的神经毒性作用。斑马鱼因其优异的神经系统特征、高效的基因组编辑、利便的转基因品系天生、高区分率体内成像和一系列行为剖析等优势，已成为神经毒性研究的一个有吸引力的动物模子。总结了最近使用斑马鱼对纳米质料，特殊是工程纳米质料和纳米塑料的神经毒性效应的研究，并讨论了斑马鱼模子在神经毒性研究中的优势和局限性。
要害词：纳米质料 聚苯乙烯纳米质料 工程纳米质料 斑马鱼 动物模子 神经毒性
简介：纳米质料由有机、无机或有机金属质料组成的纳米尺寸质料，可分为自然、无意和工程纳米质料 (ENM)。由于尺寸小，具有差别寻常的特征，可应用于种种领域，例如纳米生物手艺或纳米医学。由于奇异的性子对纳米质料清静性的担心也在增添。纳米质料可以通过多种途径进入人体，例如消耗纳米产品或吸入无意的纳米质料。体内的纳米质料可能穿过生物屏障穿透种种器官，并与固有的生物系统相互作用意味着它们会意外地造成不良影响。特殊是袒露于人体的纳米质料可以从鼻子、肺、胃肠道或皮肤转移到通过血液和淋巴系统抵达大脑，并可能导致神经功效障碍和神经退行性疾病。大宗研究报告了纳米质料的神经毒性效应主要集中在ENM上。纳米塑料（NPs）是纳米毒性的另一类主要纳米质料，是由塑料废物通过风化作用无意形成的�；谒堑慕缢怠⑽锢砘宰右约扒樾卧似托形�，它们与 ENM 差别。除了细胞研究外，使用适当的动物模子举行毒性评估是必不可少的。已接纳种种动物模子来证实纳米质料通过多种病因引起神经功效障碍和相关疾病，例如炎症、氧化应激、DNA 损伤和神经元殒命。ENMs的神经毒性主要通过啮齿动物模子（如小鼠或大鼠）举行评估，而NPs的神经毒性则通过鱼类模子举行评估。在动物模子中，小鼠是最受接待的神经毒性动物模子之一：它具有重大行为剖析的优势，与人类同源的器官和基因以及种种遗传工具和疾病模子具有高度相似性，但实验本钱低，实验周期长 , 伦理问题是它作为动物模子的局限性。另一种用于神经毒性研究的新兴动物模子是斑马鱼，它在评估纳米质料对 ENM 和 NPs 的神经学影响方面具有若干优势，包括神经行为、神经发育和神经功效测定。只管使用斑马鱼对纳米质料的神经毒性研究仍处于初级阶段但它们在差别的研究领域有许多潜在的应用。讨论了以斑马鱼为动物模子的人类纳米质料神经毒性的最新研究并提出了进一步神经毒性研究的偏向。
纳米质料在动物模子中的神经毒性：由于形态、物理化学和生物学特征，ENMs 和 NPs 都可能对康健爆发倒运影响。袒露于神经系统的纳米质料可能会诱发神经元失调并最终导致相关的神经系统疾病，包括严重的神经退行性疾病，如阿尔茨海默病 (AD)、帕金森病 (PD) 和亨廷顿病。讨论了纳米质料的特征与其毒性之间的相关性，并总结了最近使用动物模子（不包括斑马鱼）对ENMs和NPs引起的神经功效障碍的研究。
ENMs的特征和毒性：ENM是人类有意设计或生产的纳米质料，包括金属和金属氧化物纳米颗粒�Ｇ樾沃卫硐低车亩嘌浴⒅卮笮院椭卮笮曰竦昧讼灾纳�，导致其应用于各个领域，包括食物工业、化妆品、体育、纺织和医药。ENM也可能与神经系统中的非目的生物实体相互作用最终导致认知障碍和神经退行性疾病，突出其奇异的双刃特征。ENM的形态特征是指具有一个或多个维度的小于或即是100nm的纳米质料。形态特征（如巨细和形状）可能影响ENM与生物系统的相互作用，包括内吞作用、生物分子吸收或器官漫衍。小鼠体内氧化铁磁性纳米粒子 (IOMNs) 的毒理学研究批注器官漫衍具有巨细依赖性，较小尺寸的 IONMs 穿透更深并诱导与氧化应激和代谢历程相关的基因表达显著转变�；谝擅琢Ｗ� (AgNPs) 的毒理学研究还批注，较小的尺寸会通过诱导氧化应激或金属离子释放来增添毒性。别的，ENM 的形状会影响它们的毒性，阻碍它们的扫除。
ENM的物理化学特征（如组成、电荷、疏水性、外貌官能团等）是决议其运气的要害因素，与毒性亲近相关。金属基 ENM 的运气会受到种种因素的影响，例如 pH 值、温度、离子强度、消融氧和自然有机物，所有这些都会影响它们的毒性。例如，金属离子可能通过酸性pH从金属基ENM（ZnO或Ag）中释放，可能对生物体造成毒性。AgNPs的毒理学研究批注氧水平或pH值会加速AgNPs外貌银离子的释放，可能导致氧化应激或炎症反应。外貌电荷和疏水性也会影响 ENMs 的毒性。 带正电荷或疏水的 ENM 比带负电荷的 ENM 或亲水 ENM 更容易被细胞内化并诱导氧化应激、自噬和细胞凋亡。ENMs 的这些形态和物理化学特征使它们能够与卵白质、膜、磷脂、细胞器或 DNA 等生物因素起劲相互作用从而诱导细胞内摄取、组织穿透、漫衍和器官积累对生物体爆发倒运影响。卵白质电晕的形成可以改变与生物实体的相互作用及其毒理学效应。需要将ENM与差别生物因素的相互作用视为相识其毒理学效应的主要特征。
ENMs在动物模子中的体内神经毒性：已经在细胞系中研究了具有差别形态、物理化学特征和生物相互作用的 ENM 的神经毒性作用。二氧化硅纳米粒子 (SiO2-NPs) 影响神经元 PC12 细胞周期、细胞凋亡和多巴胺表达，氧化锌纳米粒子 (nano-ZnO) 破损神经元 PC12细胞增殖。与使用神经元细胞系举行的大宗关于ENM对特定神经元细胞损伤的要害研究相比，体内研究仍然有限。除啮齿动物模子（如小鼠和大鼠）外，包括蠕虫（秀丽隐杆线虫、秀丽隐杆虫）、苍蝇（果蝇、黑腹果蝇）或斑马鱼在内的几种动物模子已被最常用于神经毒性研究。啮齿动物作为最盛行的神经毒理学模子，视察到种种神经学效应，包括 ENM 易位到神经系统、活性氧 (ROS) 天生、炎症和器官反应。AgNPs转移到小鼠模子的大脑会造成有害影响，如恒久影象障碍。袒露于 TiO2、ZnO 或 Al2O3 纳米颗粒的小鼠大脑体现出大脑皮层中多巴胺和去甲肾上腺素和氧化应激的增添。小鼠大脑中的 AgNP 治疗导致乙酰胆碱酯酶、多巴胺和血清素的消耗。Fe3O4 纳米颗粒在大鼠脑的纹状体和海马中积累，并导致神经元活力和氧化应激降低。TiO2纳米颗粒（TiO2 NP）诱导的氧化应激由p38-Nrf2信号通路介导，陪同着炎性细胞浸润到小鼠大脑和破碎的神经细胞中。啮齿动物模子允许剖析ENM袒露的种种影响，例如神经毒性的分子机制和神经递质转变。啮齿动物模子还可以凭证器官反应评估代际影响的危害。小鼠妊娠和哺乳期袒露的TiO2 NP会诱导小鼠子女海马的凋亡和神经爆发镌汰，损害影象和学习，以及子女小鼠的大脑发育和认知障碍。
非啮齿动物模子，如黑腹果蝇、秀丽隐杆线虫或斑马鱼，正在成为古板啮齿动物模子的有价值替换品，允许使用多种分子和遗传工具。黑腹果蝇具有多种优势，例如易于区分的表型阵列、易于举行基因操作与人类致病基因的相似性高于 70%以及伦理问题少等优势。袒露于 AgNPs 和 ZnO 纳米颗� ？捎盏己诟构窬拘�，例如神经母细胞畸形和神经肌肉协调。黑腹果蝇的多种神经退行性疾病模子可用于研究神经系统影响，例如运动障碍和神经毒性反应，用于神经毒性研究。秀丽隐杆线虫包括险些所有涉及哺乳动物神经递质的基因家族，神经元损伤和神经元动力学再生可以用荧光标记物可视化。恒久袒露于 Al2O3 纳米颗粒 (Al2O3-NPs) 可导致秀丽隐杆线虫运动行为、应激反应和氧化应激下降。Al2O3-NPs 通过影响秀丽隐杆线虫的谷氨酸能、5-羟色胺能和多巴胺能系统来影响运动行为。
NPs 在体内动物模子中的神经毒性：只管提出了纳米塑料的危害，但已对有限类型的塑料（包括PS）举行了测试，只有少数研究报告了使用啮齿动物模子的NP诱导的神经效应，这与许多ENM神经毒性研究差别。主要使用细胞系或非啮齿动物模子举行研究NPs的神经毒性。袒露于聚苯乙烯纳米塑料（PSNP）的人神经母细胞瘤SH-SY5Y细胞显示出突起生长缩短、细胞核形态改变和肿胀以及细胞内因素溢出。PSNP通过小泡介导的内吞作用被SH-SY5Y细胞内化，并可诱导过失的细胞凋亡。对秀丽隐杆线虫中NPs 的神经毒理学研究批注，PSNPs 诱导 ROS 爆发和线粒体损伤从而抑制体长、身体弯曲和多巴胺含量。主要使用海洋生物来评估NPs的神经毒性。 几项鱼模子研究批注PSNPs 在大脑中积累并诱导倒运的神经系统影响，例如大脑体重减轻、乙酰胆碱酯酶 (AChE) 抑制和行为转变，批注 NPs 也可以诱导神经系统功效障碍。在种种动物模子中，斑马鱼模子是评估 NPs 神经效应的盛行模子之一。 下面将进一步讨论使用斑马鱼作为 NPs 神经毒理学研究的动物模子的特征、优势、局限性和未来偏向。
图 1 具有差别形态和特征的ENMs和NP代表的纳米质料的物理化学特征以及用于验证其神经毒性的种种动物模子。
斑马鱼作为神经毒性研究体内动物模子的优势：从遗传学和发育生物学的基础研究到人类疾病的治疗应用和药物发明，斑马鱼已被普遍用作基本的动物模子。斑马鱼作为验证新制造的化学品和纳米质料毒性的强盛模子系统引起了普遍关注。
斑马鱼神经系统和神经化学：斑马鱼大脑的神经元组成、神经化学和代谢在人类和哺乳动物中高度守旧。斑马鱼大脑发育历程中神经管在受精后12小时（hpf）最先形成，16 hpf可清晰区分前脑（端脑和间脑）、中脑（中脑）和后脑（菱形脑）。斑马鱼的大脑区域与人类大脑的新皮质、海马和杏仁核类似，位于前脑皮层，主要认真认知、影象功效以及恐惧和焦虑等情绪。下丘脑、缰核和松果体主要加入控制每一种感受激动、生殖行为和昼夜节律。
图2.说明斑马鱼BBB、仔鱼和成年脑的结构以及PSNP的神经毒性作用示意图。
大脑通过神经递质转达信号来处置惩罚种种生物运动所必需的信息，这些神经递质充当每个神经元渗透的兴奋剂、抑制剂和神经调理剂。兴奋性神经递质包括谷氨酸和乙酰胆碱，抑制性神经递素包括甘氨酸和γ-氨基丁酸（GABA），单胺类神经递质家族包括5-羟色胺、组胺和儿茶酚胺，包括多巴胺、肾上腺素（肾上腺素）和去甲肾上腺素。发育中的斑马鱼大脑中 GABA 能、谷氨酸能、5-羟色胺能和儿茶酚胺能神经元的分解很是迅速，险些在受精后 2-3 天 (dpf) 完成。斑马鱼在整个大脑中与哺乳动物和人类共享高度守旧的神经递质和神经元细胞，具有一定的区域特异性。
斑马鱼血脑屏障：血脑屏障（BBB）以高选择性调理大脑和周围血管之间的联系，由多种细胞类型组成，包括内皮细胞、星形胶质细胞最后足细胞和具有细密毗连的周细胞。斑马鱼的BBB在2.5至3 dpf之间最先形成，只管在24–72 hpf之间的脑血管周围和60 hpf后的周细胞周围检测到细密毗连的因素。将差别巨细的荧光染料注入斑马鱼幼体的心包区域证实BBB的成熟是从3dpf到10dpf以时间依赖性的方法逐渐实现的。只管斑马鱼BBB成熟完成简直切发育窗口尚未完全确定，但BBB功效在其他脊椎动物（包括小鼠）中生涯优异。纳米质料由于其纳米尺寸、非典范形状和其周围具有种种特征的效应器而具有穿透血脑屏障的潜力。但现在尚不清晰ENM和NP是否通过团结特定受体的BBB或简朴地通过破损组织而系统性地抵达大脑。
评估纳米质料对个体神经毒性的遗传孝顺：为了研究特定情形下特定基因的功效、懦弱性和生物学机制，多年来斑马鱼基因敲除和敲入的基因组编辑手艺一直生长。CRISPR/Cas 系统已普遍用于斑马鱼，将靶基因特异性单向导 RNA 和 Cas9 核酸内切酶的复合物注射到受精胚胎中，通过非同源最后毗连或同源定向修复诱导感兴趣基因的突变。
体内成像：生物监测染料和荧光转基因系
斑马鱼的一项突出手艺是使用生物监测染料或转基因系染色举行体内成像。通过PTU（1-苯基-2-硫脲）处置惩罚或色素冷静突变体（如casper），可以在无色素冷静斑马鱼体内视察动物深层组织中的细胞事务� ？固迕庖呷旧⒆詈笸蜒鹾塑账嶙泼� dUTP 缺口最后标记 (TUNEL) 染色、氧化应激丈量和原位杂交的成熟成像计划都适用于使用斑马鱼研究纳米质料的神经毒性。只管纳米质料被证实能抵达大脑，诱导神经细胞凋亡，破损大脑发育/成熟，并在一些模子生物体中改变神经递质。荧光转基因斑马鱼系在纳米质料的神经毒性研究领域尚未获得充分使用。这些品系可以成为一种强盛的工具，以组织特异性的方法可视化分子或细胞的体内动力学并相识大脑功效，从而有助于在体内详细研究纳米质料在神经毒性中的多种效应。荧光标记的斑马鱼大脑可以通过接纳显微镜手艺包括共焦、光片和多光子显微镜，团结组织扫除手艺，在体内以单细胞区分率成像。
斑马鱼 ENMs 和 NPs 的神经毒性研究：
TiO2-NPs 的神经毒性：为了验证TiO2 NP诱导的神经毒性，用平均直径为12nm的TiO2 NPs处置惩罚斑马鱼幼鱼，在明暗交替刺激下体现出游泳速率和转向行为能力降低。神经爆发的 Nrd 和 Elavl3 和轴突生长的 alpha1-tubulin、mbp 和 gap43 的基因表达爆发了显著转变，而氧化应激的 Mn-sod、Cu/Zn-sod 和 Cat 基因没有改变。Y-迷宫测试中臂会见次数镌汰，TiO2 NP处置惩罚后证实c-fos、c-jun和bdnf基因表达增添，p38、NGF、CREB、NR1、NR2ab和GluR2表达镌汰。斑马鱼幼体模子还发明TiO2 NP处置惩罚后，帕金森病患者的运动行为活性降低、多巴胺能神经元丧失和与路易体形成相关的基因表达改变批注TiO2 NPP袒露在帕金森病的发病危害因素中起作用。
SiO2-NPs 的神经毒性：SiO2-NP 处置惩罚增进了抑郁表型，基于运动和探索行为参数，并改变了斑马鱼模子中免疫组织化学证实的酪氨酸羟化酶和血清素的表达。凭证斑马鱼的发育阶段以及SiO2 NP的巨细、浓度和差别袒露时间，举行了PMR和VMR的神经毒性行为测试，一致显示了用SiO2 NPs处置惩罚后斑马鱼胚胎和仔鱼的行为反应转变。注射 SiO2-NP 的斑马鱼胚胎的微阵列剖析批注与多巴胺、GABA、胆碱和神经肽受体的神经功效相关的基因表达显着下调。发明 SiO2-NPs 袒露会改变帕金森病相关基因如 β-突触核卵白和 pink1 的表达。只管上述神经毒性数据验证了TiO2 NP和SiO2 NP的ENM影响了行为反应和与神经元功效相关的基因表达模式，但使用斑马鱼对具有差别物理化学性子的差别ENM举行神经毒性研究仍缺乏以展现其确切作用和详细的潜在机制。
PSNPs 在斑马鱼中的神经毒性：由于其非典范特征和小尺寸，PSNP可以通过BBB穿透包括大脑在内的器官，在细胞内细胞器中积累，与一系列卵白质相互作用，并最终影响种种生物功效。几项研究报告称，PSNP在几天内很容易在斑马鱼的大脑和其他器官中积累，并显著影响该器官的功效。用于斑马鱼神经毒性剖析的PSNP主要是直径约为20-100nm的荧光聚苯乙烯颗粒，浓度规模为0.1-100ppm。斑马鱼仔鱼交替光刺激诱导的 VMR 反应已被用于多项研究来确定 PSNP 的行为神经毒性作用。 效果，主要通过 VMR 测试视察到一些组运动减退，而另一组则相反多动症。这种差别可能是由于实验条件的差别造成的，例如PSNP的巨细、浓度、袒露时间和斑马鱼的发育阶段，因此需要举行更多的比照研究以相识PSNP确切的行为模式和影响。PSNP 处置惩罚的成年斑马鱼的种种行为包括社交互动、平均速率、探索行为、攻击和捕食者回避、浅滩行为和昼夜节律都爆发了改变批注PSNP会诱刊行为神经毒性，只管仍需要更多的研究来展现PSNP与动物行为之间的联系。由活性氧代谢中止引起的氧化应激会对行为改变和发育历程爆发倒运影响，是PSNP诱发的主要事务之一。用氧化应激标记物8-OHdG抗体对斑马鱼胚胎脑组织的神经元细胞举行PSNP群集区染色。袒露于 PSNP 后成年大脑中谷胱甘肽还原酶的活性降低，其在子女仔鱼中的活性也比亲代袒露组降低批注谷胱甘肽代谢是PSNP跨代的主要目的之一。PSNP诱导了除了仔鱼和成虫大脑外，包括胃肠道、肝脏和心脏种种组织的氧化应激。乙酰胆碱酯酶是一种催化乙酰胆碱水解来终止信号转达的酶，在最近的神经毒性研究中被提议作为生物标记物。纵然在较低浓度下PSNP处置惩罚后，幼鱼和成年斑马鱼大脑中的乙酰胆碱酯酶也有所降低。在特定情形下，某些基因突变可能会增添其神经毒性的懦弱性。转基因斑马鱼允许识别和验证体内更易受PSNP影响的基因突变。PSNP处置惩罚的野生型斑马鱼仔鱼体现出活跃太过和应激激素皮质醇水平升高。
结论和展望：我们讨论了 ENMs 和 PSNPs 作为代表性纳米质料的一样平常特征，并回首了对最近使用动物模子（特殊是斑马鱼）的神经毒性。只管举行了深入研究但对纳米质料神经毒性的功效验证和对其机制的明确仍然模糊不清。大宗一直合成和修饰的纳米质料使得剖析其神经毒性作用变得越发难题。斑马鱼作为一种合适的动物模子允许使用利便和有用的实验要领包括转基因系、敲除/敲入和一系列既定的行为测试，以及高区分率成像来剖析多种类型纳米质料的神经毒性。斑马鱼将为体内纳米毒性研究提供重大的时机有助于明确神经毒性作用机制及开发更好更清静的纳米质料。
原文出自：A review on the impacts of nanomaterials on neuromodulation and neurological dysfunction using a zebrafish animal model - ScienceDirect
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