纳米银对斑马鱼尾鳍伤口愈合和组织再生的抑制效应及分子机制研究

Silver nanoparticles (AgNPs) have excellent antibacterial activity and are commonly used in the clinical treatment of burns, surgical wounds and chronic ulcers. However, previous studies in culture cells in vitro have shown that AgNPs exhibit cytotoxicity to human skin cells, resulting in delayed wound healing in medical treatment. The toxic effects and the relevant mechanisms of AgNPs on wound healing in vivo and speciation transformation of AgNPs during wound healing process are still unclear. It is urgently needed to evaluate health risks associated with AgNPs application in the wound dressing for the purpose of safety. Considering that the process of fin regeneration in zebrafish is similar with that of wound healing in mammals, caudal fin of zebrafish will be selected as an experimental model in the present project. Zebrafish fin will be cut and exposed to AgNPs with different sizes and coatings. By employing inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), second-harmonic generation imaging, and an array of cell and molecule biological techniques, we propose here to investigate 1) the relationship between AgNPs dose and impaired capacity of fin regeneration; 2) the concentrations, distribution, and transformation of AgNPs in caudal fin; and 3) the effects of AgNPs on cell behaviors, extracellular matrix remodeling and gene expression during wound healing. It is expected that this study will significantly advance our understanding of toxicological effects of AgNPs on wound healing and regeneration, providing essential information useful for risk assessment and management of AgNPs in medical application.

纳米银具有优良的抗菌活性，在烧伤、手术伤口和慢性溃疡的临床治疗中被广泛运用。但体外培养实验表明纳米银对皮肤细胞具有毒性，有可能在治疗中会抑制伤口愈合。目前对纳米银在活体伤口愈合过程中的毒性效应、银形态转化及其分子机制尚不清楚，其使用的安全性和健康风险亟待深入研究。本项目拟采用与哺乳类伤口愈合过程相似的斑马鱼尾鳍再生模型，选用不同尺寸和包被的纳米银暴露尾鳍切除的斑马鱼，利用电感耦合等离子体质谱、二次谐波成像技术以及细胞生物学和分子生物学等技术手段，研究纳米银抑制尾鳍伤口愈合和组织再生的剂量效应关系，纳米银在尾鳍中的含量、分布和形态转化，以及纳米银对参与伤口愈合和组织再生的细胞行为、细胞外基质重构和基因表达的影响。本研究将在活体水平上揭示纳米银对伤口愈合的毒性效应和分子机制，为纳米银使用的安全性提供科学理论依据。

纳米银在医疗健康领域具有广泛的应用前景。纳米银用于伤口敷料是所有应用中唯一拥有商业化产品的一个应用方向，并且纳米银包被的敷料已经进入临床治疗使用中，但它们在人体中使用的安全性和有效性仍然是存在争议的问题。目前，哺乳动物模型是主要的纳米粒子敷料生物学效应的动物评价模型，它存在操作复杂、成本高的问题。斑马鱼尾鳍切除后可以再生出一个完整的新尾鳍，是再生医学研究的理想模型。斑马鱼的尾鳍再生过程与人体伤口愈合过程具有很高的相似性。它还具有手术操作和观察上的便利性、具有成本低的优势。因而，利用斑马鱼的尾鳍再生模型开发一种简单、快速、准确的评估纳米材料对伤口愈合生物学效应的方法具有重要的研究意义。.利用斑马鱼尾再生模型，本研究建立了一种评价纳米银对伤口愈合生物学效应的新方法，并且这一方法能够考察不同伤口愈合期纳米银暴露对组织再生的影响。研究显示在伤口上皮化阶段纳米银（2 μg/mL）暴露5分钟可显著抑制斑马鱼尾鳍再生，且能在1-7天内持续抑制尾再生，而超过切尾后24小时暴露则不会产生抑制作用，这表明伤口愈合的上皮化和芽基形成起始阶段是纳米银暴露的敏感期。研究还发现了银离子暴露对尾再生不产生抑制作用，表明了纳米银的颗粒效应是造成尾再生毒性的主要原因。暴露后再生尾鳍芽基组织中的增殖细胞显著减少、凋亡细胞增多。Wnt和Fgf信号对尾鳍再生中的细胞增殖具有重要调节作用，但是本研究观察到它们在尾鳍切割后的36 h时候没有明显的变化。进一步的研究发现，纳米银暴露能够降低尾鳍切割诱导的ROS的产生，而不是通常认为的诱导ROS产生。本研究还发现纳米银暴露促进中性粒细胞在伤口愈合早期阶段大量募集，暗示这一事件会影响伤口的愈合过程。本研究揭示了纳米银材料在临床应用中存在风险，为纳米银在临床中的合理使用提供理论参考。