通过使用不同发育阶段的斑马鱼模式生物建立更加完善的纳米毒性检测与毒理研究平台

To ensure a sustainable development of nanotechnology, it is extremely important to understand the safety and environmental implications of nanomaterials. The question whether or not nanomaterials will become a new type of environmental pollutants has been raised. So far, through the use of animal models, we have started to learn more about the hazard potential of nanomaterials. The use of zebrafish has helped to speed up the toxicity studies of different types of nanomaterials. However, the incoherent use of developmental stages and toxicity endpoints made it nearly impossible to draw any conclusions on whether the nanomaterials tested were toxic or non-toxic. The literature has often shown contradicting results of the same nanomaterials. Therefore, there is an urgent need to integrate the use of zebrafish model with different developmental stages and use it to achieve comprehensive toxicity profiling. In this project, we will use carbon nanotube, graphene, Au and Ag nanoparticles as representatives and use zebrafish embryos, larvae and adults for toxicity profiling of each nanomaterial. We will also focus on delineating the relationship between physiochemical properties, such as size, shape, surface charge and metal dissolution, and the toxicity outcomes in different developmental stages. The establishment of a comprehensive toxicity screening platform will provide the basis for safer design of nanomaterials and better predict their environmental hazard potential.

纳米材料的生物安全性以及环境影响是关系到纳米科技可持续发展的基础性和关键性问题。纳米材料是否会成为一种新型环境污染物的问题受到了多学科领域的关注和重视。迄今为止，通过模式生物的使用，人们对纳米材料的环境毒性有了初步了解。而斑马鱼模型的使用也在很大程度上加快了对多种纳米材料的毒性筛选和毒理研究工作。然而，由于在不同研究中所使用的斑马鱼发育阶段以及毒性测试方法的差别，相互矛盾的研究结论不少出现，导致人们对纳米材料的潜在环境毒性的认识不够全面。因此，本项目拟串联使用不同发育阶段的斑马鱼模型，以具有代表性的碳纳米管、石墨烯、纳米金和纳米银颗粒为研究对象，围绕材料尺寸、形状、表面电荷、溶解性对材料物理化学性质与毒性间的联系展开系统深入探讨。为如何通过调控纳米材料性质以达到降低环境毒性提供研究思路，并为下一步实现纳米材料的环境毒性预测奠定基础。

在纳米科技蓬勃发展的机遇下，纳米材料的潜在环境毒性引起了广泛关注。纳米材料的环境毒理学研究不仅能够帮助阐释纳米材料引发生物毒性的机制，更将有助于对纳米材料物理化学特性与安全性之间构效关系的建立以及推动环境友好型纳米材料的研发与实际应用。在基金委青年项目的资助下，本研究课题围绕斑马鱼模式生物，（1）发展并比较基于不同发育阶段斑马鱼的纳米毒性测试方法；（2）基于金属、金属氧化物以及新型二维纳米材料等展开了系统性的毒理学研究，揭示了金属氧化物纳米材料的环境毒性主要取决于其氧化性以及金属离子解离特性；（3）斑马鱼胚胎与幼鱼阶段对相同纳米材料的毒性反应不同，其主要原因取决于暴露途径以及纳米材料与生物之间相互作用的影响；（4）充分利用斑马鱼胚胎量大、透明且同步发育等特点，开发了基于3D打印技术的斑马鱼胚胎排列添加装置，并展开基于显微图像的机器学习图像分析方法。以上研究成果在Nat Commun, Environ Sci Nano等高水平杂志发表论文11篇，获授权实用新型专利1项，申请发明专利1项；基于课题培养博士后1名、博士生1名、硕士生2名。综上，课题的顺利开展为模式生物斑马鱼在纳米毒理学研究领域的应用起到了积极的推广作用，同时建立了可广泛应用且高通量的实验操作方法，为建立更加完善的纳米材料毒性检测及预测平台提供了扎实的实践经验。