纳米金属氧化物水体老化过程中赋存状态影响其遗传毒性的机制研究

Aging, as physical or chemical transformations over time, is essential for understanding the fate of nanomaterials in aquatic environments; however, the toxicity effects of aged nanomaterials are still unexplored. Our previous study has shown that ZnO NPs underwent sophisticated physicochemical transformations with aging. Interestingly, the aged ZnO NPs were investigated to be able to result in much lower cytotoxicity while relatively high degree mutation than fresh ZnO NPs. The current project was focused on investigating the physicochemical transformation in aquatic environments during aging process with or without light and clarifying the genotoxicity of metal oxide nanomaterials in transgenic mice and various cells. And, the underlying mechanism(s) involved in such process was determined. This project will provide novel information in risk assessment of nanomaterial during their lifecycle.

老化（aging）可显著改变纳米材料的物理化学特性和赋存状态；然而，相关毒理学效应及机制研究还非常匮乏。我们最新的研究结果显示， “老化态”纳米氧化锌（ZnO-NPs）赋存状态改变可显著影响其细胞毒性和遗传毒性（Nanotoxicology 2015）。本项目拟以纳米氧化锌（ZnO-NPs）和纳米二氧化钛（TiO2-NPs）为研究对象，模拟天然水体老化过程，在避光和光照条件下，利用转基因小鼠结合模式细胞，研究纳米材料在水体老化过程中物化特性及微观结构变化与细胞凋亡、DNA损伤以及基因突变之间的时间、剂量-效应关系，厘清“老化态”纳米材料复杂体系中主要组分对遗传毒性的贡献和作用靶点，探明线粒体介导信号转导通路以及内质网应激在“老化态”纳米材料遗传毒性中的调控机制，为揭示纳米材料进入水环境后赋存状态与遗传信息稳定性之间的构-效关系提供新的线索。

人工纳米材料的大规模生产与应用导致其在环境中的持有量不断增加，并受环境（尤其是水环境）介质与共存污染物（如重金属）的影响，发生理化性质与赋存状态变化（即老化），并极大影响纳米材料及污染物的环境行为、生物有效性及毒性效应。而现阶段，对于纳米材料与环境介质和重金属间相互作用，及潜在环境健康风险研究仍旧较为匮乏。本项目针对人工纳米材料环境安全性研究中的关键科学问题，选取典型人工纳米材料纳米氧化锌（ZnO NPs）、纳米二氧化钛（TiO2 NPs）和氧化石墨烯（GO）为研究对象，分别从人鼠杂交瘤AL细胞和秀丽隐杆线虫层面，探究纳米材料在模拟水体中赋存状态变化及其对典型重金属（砷As、镉Cd和镍Ni）环境行为的影响，进而揭示潜在环境生物效应及机制，逐步建立人工纳米材料环境生物效应的多维评价模型。经研究我们发现：.1..纳米材料老化过程影响其生物效应：1）可溶性ZnO NPs在水体老化过程中发生显著的理化性质转化，而非可溶性TiO2 NPs仅团聚状态加剧并未发生显著理化性质变化；2）相比于原始态ZnO NPs，老化态NPs通过诱导线粒体ROS激活ER Stress导致遗传毒性显著升高，且自噬在老化态ZnO NPs诱导的高遗传毒性中起重要作用；3）原始态与老化态TiO2 NPs同等程度诱导细胞毒性随粒径增大而升高，遗传毒性随粒径减小而升高，并与线粒体功能状态密切相关。.2..纳米材料影响重金属（As、Cd和Ni）环境行为与效应：1）无毒的TiO2 NPs吸附并携带As经胞吞作用累积于AL细胞内，通过诱导线粒体氧化应激水平升高引发遗传毒性增强；2）无毒的TiO2 NPs通过吸附并携带重金属，增加重金属在秀丽隐杆线虫体内的累积，促进重金属沿生殖系的世代间传递，进而增强重金属对于生物体当代及多世代的毒性效应；3）与TiO2 NPs相比,无毒的GO通过三种主要途径降低As引发的秀丽隐杆线虫生殖毒性，即诱导保护性细胞自噬，促进As排出，及GO对As的吸附作用。.本项目为全面评估人工纳米材料的环境健康风险，指导纳米材料在环保等领域的安全应用和相关职业防护，促进纳米技术的可持续发展提供理论依据。