纳米氧化铜致中脑小胶质细胞活化介导多巴胺能神经元的损伤及其机制研究

The environmental health and safety issues of nanomaterials are highly concerned recently. However, the research on neurotoxicity of nanomaterials is still at an elementary stage; especially, precise dopaminergic neuron (DN) damage pathways and mechanisms induced by nanoparticles remain ill-defined. Our previous investigate found that Nano-CuO can induce the damage on striatum tissue and DN, which indicated Nano-CuO has the potential neurotoxicity. Therefore, this study focus on illuminating the toxicity and mechanisms on DN induced by Nano-CuO. To this end, the immunohistochemistry, modern molecular biology, toxicology and other technology were well utilized to perform the following research: (1) Establishment of dopaminergic neuron injury model induced by Nano-CuO in vivo and in vitro; (2)The signal transduction pathway and biological molecular mechanism of DN damage mediated by activated microglia indeced by Nano-CuO; (3) The toxicity and apoptosis signal transduction pathway on DN directly induced by Nano-CuO. This study will help to further elucidate the role and molecular regulation mechanism of neurodegenerative damage induced by Nano-CuO; to provide experimental reference for the study on etiology of neurodegeneration, such as Parkinson’s disease (PD); to provide a scientific basis and research ideas for the study on prevention of related disease; and to provide the basic data for establishing a guideline for environmental protection and safety for normal and susceptible populations.

虽然纳米材料的环境健康效应已得到高度关注，但纳米材料的神经毒理研究还处于起步阶段，尤其是针对多巴胺能神经元（DN）的毒性效应及其机制尚未明了，成为亟待解决的前沿科学问题。课题组在前期研究中发现纳米氧化铜可导致纹状体组织和多巴胺能神经元损伤,具有潜在的神经毒性效应。为此，本项目拟利用免疫组化、分子生物学、毒理学等多种技术，开展以下研究：（1）在动物整体水平和细胞水平上建立纳米氧化铜致多巴胺能神经元损伤的模型；（2）纳米氧化铜激活小胶质细胞介导DN损伤的信号转导通路和生物分子机制；（3）纳米氧化铜DN神经元的直接毒性作用及凋亡信号转导通路。通过该项目的研究，进一步阐明纳米氧化铜致神经退行性损伤的作用环节和分子调控机制，为帕金森病等神经退行性病变的病因学研究提供实验参考，为相关损伤的防治研究提供科学依据和研究思路，为纳米材料环境健康防护标准的制定提供基础数据资料。

研究背景及科学意义：帕金森病是由于黑质纹状体多巴胺能神经元变性死亡引起的神经退行性疾病。本项目比较研究了3种典型纳米金属氧化物（Nano-CuO、Nano-Al2O3、Nano-ZnO）多巴胺能神经元毒性作用特点及其机制，为帕金森病等神经退行性病变的病因学研究提供实验参考，为纳米材料环境健康防护标准的制定提供数据资料。.研究内容：（1）3种纳米材料鼻腔滴注在大鼠中枢神经系统的分布及其毒性；（2）3种纳米材料对多巴胺能神经元的毒性作用特点；（3）Nano-CuO激活中脑小胶质细胞介导多巴胺能神经元损伤及其机制。.研究结果：（1）3种纳米材料鼻腔滴注15d（20mg/kg），可经嗅神经转运至中枢神经系统，引发嗅球、海马、纹状体、皮质、小脑组织氧化应激和炎性反应；（2）3种纳米材料可通过影响细胞膜完整性、氧化应激及线粒体功能损伤引发细胞周期阻滞和凋亡，抑制细胞活性。可致细胞突起变短，细胞间突起结点变少甚至消失。（3）p53、Rb、pRb蛋白参与了Nano-Al2O3引起的细胞G1期阻滞，Mdm2、p21和CD1蛋白是p53蛋白高表达的调节分子；同时p53、Bax及Bcl-2调节Nano-Al2O3引发的细胞凋亡。（4）Nano-CuO可致PC12细胞骨架蛋白Tubulin-α、Tubulin-β和NF-H及神经突触间信号传递调节蛋白CAMK2A、轴突形态与消亡调节蛋白CAMK2B及神经生长相关蛋白GAP43表达显著降低，提示Nano-CuO可抑制神经元的轴突生长、损伤神经元的神经突起，导致神经元间物质运输和信息传递无法正常进行，造成神经系统功能损伤。（5）Nano-CuO鼻腔滴注60d（10mg/kg）可沿嗅神经转运至前额皮质、海马、纹状体、垂体、下丘脑、黑质等功能脑区的神经纤维及胞质中，引发超微结构损伤；使大鼠学习记忆能力下降，空间探索和自主行为能力受损，在新环境中的紧张度增加，肌力和运动协调能力下降等类似帕金森病的症状；致海马、纹状体、黑质区细胞凋亡及病理学损伤；激活小胶质细胞和星形胶质细胞介导多巴胺能神经元变性死亡，致多巴胺转运体减少，影响多巴胺合成功能；氧化应激水平升高和小胶质细胞激活导致的免疫炎性反应是Nano-CuO诱导黑质纹状体通路DA神经元变性死亡的重要原因。