斑马鱼：碳纳米材料毒性评估的绝佳模型

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英文原题：Zebrafish: A Promising Model for Evaluating the Toxicity of Carbon Dot-Based Nanomaterials

通讯作者：陈桐楷，广州中医药大学

作者：Wei Liu, Gang Huang, Xiaoying Su, Siyi Li, Qun Wang, Yuying Zhao, Yao Liu, Jingshan Luo, Ye Li, Chuwen Li, Dongsheng Yuan, Honghai Hong, Xiaojia Chen, and Tongkai Chen

近年来，碳纳米材料在生物医药领域的应用愈发广泛，其中，碳纳米点因其原料丰富、合成简便以及优良的理化性质而备受关注。目前，碳纳米点已在药物递送及生物成像领域中展现出了良好的发展潜力。作为一种人造纳米材料，其生物适应性是决定其临床转化价值的关键因素，然而，迄今为止，碳纳米点在体内的毒性研究却十分匮乏。

斑马鱼与人类具有高度的基因同源性，具备繁殖、发育迅速的特点，此外，斑马鱼还具备在胚胎期与发育初期通体透明的特点，因此被广泛应用于对纳米材料的毒性评价。广州中医药大学陈桐楷课题组以水热法合成了超小粒径的碳纳米点，并将斑马鱼作为体内模型，对碳纳米点在斑马鱼体内的毒性开展了系统研究。

图1. 碳纳米点的制备与表征

由于甘蔗糖蜜在工业上的产量十分可观，故选用甘蔗糖蜜作为制备碳纳米点的原料。甘蔗糖蜜经水热法一步合成碳纳米点，再通过离心对其提纯。通过FT-IR、XRD、UV以及TEM对碳纳米点的结构与形态进行表征，又经DLS测得其平均粒径为2.4 nm。此外，该碳纳米点的荧光光谱表明其分别在328 nm与390 nm处具有最大吸收波长与最大发射波长。

图2. 不同浓度的碳纳米点对斑马鱼胚胎的毒性分析

为了测定碳纳米点对斑马鱼胚胎的发育毒性，用E3培养液将碳纳米点稀释为50~400 μg/mL，对受精后1.5小时（1.5 hpf）斑马鱼胚胎进行孵育。在96 hpf时，50~150 μg/mL的碳纳米点未对斑马鱼的存活率、孵化率、畸形率、心率、体长以及体节数造成显著影响，其LC50值与TD50值分别为257.24与194.7 μg/mL，因此，根据鱼类和野生动物急性毒性评定表可断定碳纳米点为“几乎无毒”的。

图3. 斑马鱼正常鳃组织及其在不同浓度碳纳米点中孵育14天后的H&E染色

斑马鱼正常鳃组织中具有清晰可辨的初级鳃丝与次级鳃丝、正常的骨架结构、红细胞以及基底细胞。当经500 μg/mL浓度的碳纳米点处理后，由于次级鳃丝的消融，初级鳃丝与次级鳃丝已经无法明确区分。当碳纳米点的浓度升高至1000 μg/mL时，可以观察到更加显著的炎症以及次级鳃丝上的粘液样细胞簇，并伴有红细胞数量的减少。结果表明在极高浓度下碳纳米点对斑马鱼的鳃组织会造成损伤。

图4. 斑马鱼正常肠组织及其在不同浓度碳纳米点中孵育14天后的H&E染色

斑马鱼正常肠组织中可清晰观察到完整的肠腔与微绒毛，并被含有杯状细胞的上皮所覆盖。当斑马鱼被碳纳米点处理后，仅在100 μg/mL组观察到了正常的肠组织结构，当碳纳米点的剂量到达250 μg/mL时则展现出显著的肠道毒性。表明高浓度的碳纳米点将会对斑马鱼的肠组织造成损伤。

图5. 斑马鱼正常脑组织及其在不同浓度碳纳米点中孵育14天后的H&E染色

斑马鱼正常的脑组织中，小脑中的小脑颗粒层与小脑分子层之间为紧密连接，但这种紧密连接将会由于坏死细胞的存在而被打破。当斑马鱼在高于500 μg/mL浓度的碳纳米点中孵化14天后，其小脑颗粒层与小脑分子层之间的紧密连接将会呈现出显著的浓度依赖性破坏，说明高浓度的碳纳米点会对斑马鱼的脑组织造成损伤。

相关研究成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，广州中医药大学硕士研究生刘伟为文章第一作者，广州中医药大学陈桐楷为通讯作者。

Zebrafish: A Promising Model for Evaluating the Toxicity of Carbon Dot-Based Nanomaterials

Wei Liu, Gang Huang, Xiaoying Su, Siyi Li, Qun Wang, Yuying Zhao, Yao Liu, Jingshan Luo, Ye Li, Chuwen Li, Dongsheng Yuan, Honghai Hong*, Xiaojia Chen*, Tongkai Chen*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c17492

Publication Date: October 19, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）