金属氧化物纳米材料对斑马鱼慢性毒性的(Q)SAR研究
随着纳米毒理学实验研究的不断深入和科研成果的不断丰富，构建快速、高通量的纳米毒性评价体系或预测模型已经成为纳米毒理学研究的一个新的趋势。近年来，定量结构-活性关系(Quantitative Structure-Activity Relationship,QSAR)模型开始发挥其在纳米材料潜在毒性研究和预测方面的作用，被视为一种比较有前景的评估纳米材料安全性的新方法，其可以作为传统毒理学实验方法的补充，提供一种对纳米材料快速筛选和优先测试的新途径。纳米材料的QSAR(nano-QSAR)研究以经典QSAR模型为指导，结合纳米材料特殊的物理化学性质，构建纳米材料的结构与活性的关系。但因纳米毒理学实验缺乏统一的测试标准，期望通过挖掘和整理公开发表的文献数据构建nano-QSAR模型往往是不现实的。所以，目前nano-QSAR领域的研究需要以在相同实验条件下获得的系统性研究数据为主要依据。 本课题设计并开展了10种金属氧化物纳米材料对斑马鱼的慢性暴露实验，旨在通过结构表征与活性测定，构建生态毒理学领域的nano-QSAR模型。材料分别为nano-ZnO（纳米氧化锌）、nano-CuO（纳米氧化铜）、nano-Fe2O3（纳米三氧化二铁）、nano-Fe3O4（纳米四氧化三铁）、nano-A-TiO2（锐钛矿型纳米二氧化钛）、nano-R-TiO2（金红石型纳米二氧化钛）、nano-α-Al2O3(α相纳米氧化铝）、nano-γ-Al2O3(γ相纳米氧化铝）、nano-M-ZrO2（单斜相纳米氧化锆）、nano-T-ZrO2(四方相纳米氧化锆），平均粒径80～340nm。慢性暴露实验包括纳米材料在斑马鱼体内的富集与清除实验，以及纳米材料对斑马鱼的氧化胁迫实验。以纳米材料结构和性质参数、纳米材料的富集和清除指标以及斑马鱼氧化应激指标为数据基础，构建金属氧化物纳米材料对斑马鱼慢性毒性的(Q)SAR模型。 1.纳米材料结构表征与性质测定 测定和表征了纳米材料的粒度分布和比表面积，以此作为纳米材料的结构参数。采用半静态暴露方式（试液更新周期为1 d）开展了纳米材料悬浮液的聚集、沉降实验，每种材料设4.0 mg/L和10.0 mg/L两个浓度处理组，通过测定3个周期的初始、结束浓度，得到纳米材料的沉降作用结果(由于后4种材料在样品消解上的难度以及测定上的不准确性，只获得了前6种材料的可靠数据）:6种材料在暴露周期内均出现了不同程度的沉降，24 h平均沉降率的大小顺序为nano-CuO＞nano-Fe3O4＞ nano-R-TiO2＞nano-A-TiO2＞nano-Fe2O3＞nano-ZnO。10.0 mg/L处理组的平均沉降率高于4.0 mg/L处理组。同种化学成分的不同晶型纳米材料(nano-A-TiO2和nano-R-TiO2)在悬浮液中的沉降率存在差异。 2.富集与清除实验 半静态暴露方式（试液更新周期为1 d）下开展了纳米材料对斑马鱼的28 d暴露实验和24 d清除实验，每种材料设4.0 mg/L和10.0 mg/L两个浓度处理组，通过测定不同时间点纳米材料在斑马鱼体内的含量变化，以最大富集量、最大富集系数、总量清除率和排出速率常数为终点，分析了纳米材料在斑马鱼体内的富集和清除规律（由于后4种材料在样品消解上的难度以及测定上的不准确性，只获得了前6种材料的可靠数据）。结果表明: (1)6种纳米材料在斑马鱼体内表现出不同程度的富集，其中nano-Fe2O3富集量最大，4.0 mg/L和10.0 mg/L两个浓度组的体内最大富集量(Cmax)分别为1.89、1.64 mg/g，nano-R-TiO2的Cmax最小，分别为0.13(4.0 mg/L)、0.28(10.0 mg/L) mg/g。 (2)6种纳米材料的最大富集系数(BAFmax)为45.0～716.7，跨越了两个数量级，其中两种铁氧化物纳米材料的BAFmax均较高，两种晶型nano-TiO2的BAFmax均较低。按国际通用的划分标准，6种纳米材料在斑马鱼体内均不具有生物蓄积性。 (3)清除阶段，纳米材料体内负荷下降的趋势符合一阶指数衰减方程。斑马鱼对6种纳米材料的排除效率均较高，24 d的总量清除率为86.0％～100％，实验时间内，斑马鱼对nano-CuO的清除能力最强，对nano-ZnO的清除不完全。 (4)两种晶型nano-TiO2的体内富集存在一定的差异，nano-A-TiO2的Cmax和BAFmax均高于nano-R-TiO2。 3.氧化胁迫实验 半静态暴露方式（试液更新周期为1 d）下开展了10种纳米材料对斑马鱼的28d暴露实验，每种材料设4.0 mg/L和10.0 mg/L两个浓度处理组，测定了暴露1d和28 d时每种材料处理下斑马鱼组织的两种氧化应激指标——MDA（丙二醛）和GSH/GSSG（还原型谷胱甘肽与氧化型谷胱甘肽的比值），并分析了暴露28 d时两种指标与纳米材料体内富集量的相关性。结果显示: (1)暴露1 d和28 d时，纳米材料处理组的MDA含量总体上高于对照组，其中， nano-ZnO、 nano-Fe2O3、 nano-Fe3O4、 nano-α-Al2O3、 nano-γ-Al2O3和nano-M-ZrO2对MDA含量的影响较大且持续时间长，nano-CuO暴露对斑马鱼的MDA含量影响很小。 (2)暴露1d和28 d时，纳米材料处理组的GSH/GSSG总体上高于对照组，但两个时间点上对GSH/GSSG有显著提升作用的材料种类不同。暴露到达一定时间时，毒性较大的纳米材料(如nano-γ-Al2O3)对斑马鱼的氧化损伤严重，斑马鱼机体不再呈现以GSH/GSSG上升为特征的抗氧化响应。 (3)同种化学成分、不同晶体结构的纳米材料对MDA和GSH/GSSG的诱导作用均表现出一定的差异性。 (4)两个浓度处理下，斑马鱼氧化应激指标没有表现出显著的差异。 (5)28 d时两种生化指标与体内富集量均成正相关关系，且MDA含量与体内富集量的相关性达到了显著水平。 4.(Q)SAR模型构建 采用聚类分析法，对纳米材料的结构、性质参数与其氧化胁迫指标进行定性分析;采用Pearson相关系数法和线性回归方法，对纳米材料的结构、性质参数与其富集、清除指标定量分析。在此基础上构建nano-(Q)SAR模型，分析模型的显著性和拟合优度，并选取文献数据对所构建的模型进行外部检验，分析模型的外部预测能力。 定性分析结果表明，金属氧化物纳米材料对斑马鱼的致死效应和氧化胁迫作用与其平均粒径、比表面积和沉降率有关，当某项结构参数达到一定值时，很可能表现出明显的氧化损伤甚至致死作用。 定量分析结果表明，6种纳米材料的Cmax和BAFmax均与平均粒径呈显著负相关关系，说明纳米材料的粒径在斑马鱼对纳米材料的吸收和富集过程中发挥重要的作用。本研究首先分别建立了两个浓度组的Cmax和BAFmax与平均粒径的定量方程（每个处理两个平行样，n=12）;其次，在不区分浓度差异的前提下构建了Cmax和BAFmax与平均粒径的定量方程(每个处理两个平行样，n=24)，这6个nano-QSAR模型虽然简单，但具有统计学显著性，分别为: (1)Cmax(4.0 mg/L)(y1)与平均粒径(x)的关系式为y1=-0.009x+2.400(R2=0.581，P=0.004) (2) Cmax(10.0 mg/L)(y2)与平均粒径(x)的关系式为y2=-0.006x+1.994(R2=0.505，P=0.010) (3) BAFmax(4.0 mg/L)(y3)与平均粒径(x)的关系式为y3=-3.663x+965.900(R2=0.674，P=0.001) (4) BAFmax(10.0 mg/L)(y4)与平均粒径(x)的关系式为y4=-1.209x+383.028(R2=0.615，P=0.003) (5)Cmax(y5)与平均粒径(x)的关系式为y5=-0.007x+2.197(R2=0.522，P＜0.001) (6) BAFmax(v6)与平均粒径(x)的关系式为y6=-2.436x+674.464(R2=0.448，P＜0.001) 上述nano-QSAR模型的应用域为:受试材料为金属氧化物纳米材料;受试生物为淡水鱼类;毒性终点为体内富集量或富集系数;慢性暴露条件为初始浓度4.0和10.0 mg/L、暴露时间28 d左右。 综上，本研究在金属氧化物纳米材料对斑马鱼慢性毒性效应的(Q)SAR模型构建的理论和实践方面做了探索性尝试，证实了金属氧化纳米材料的结构与其对斑马鱼慢性毒性效应之间具有关联性，筛选出一种与纳米材料在斑马鱼体内富集效应相关的结构参数——平均粒径。所构建的nano-QSAR模型表明金属氧化物纳米材料的结构特征具有用作富集效应预测模型参数的可能，为进一步开展nano-QSAR研究提供了基础。
金属氧化物;纳米材料;毒理学实验;nano-QSAR模型
南开大学
博士
环境科学
朱琳
2014
中文
X174
108
2015-07-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）