纳米氧化钛通过干扰谷氨酸代谢及其受体表达引起小鼠神经毒性

Titanium dioxide nanoparticles （TiO2 NPs） have been demonstrated to cause calcium overload and great glutamate release in nerve cells. However, whether or not the neurotoxicity of TiO2 NPs is associated with the damage of glutamate metabolism and its receptor expression is still unclear. To further understand the relationships between neuron damages and changes of glutamate metabolism and its receptor expression and function caused by exposure to TiO2 NPs, we will investigate several scientific problems in vivo and in vitro, including:(1) effect of TiO2 NPs on glutamate metabolism of mouse hippocampus; (2)effect of TiO2 NPs on glutamate receptor subunits (such as NR1, NR2A, NR2B and GluR1-4) and their downstream signal molecules expression in the mouse hippocampus and nueron cell; (3)effect of TiO2 NPs on glutamate receptor function; (4)effect of TiO2 NPs on glutamate receptor expression in the mouse hippocampus and nueron cell after MK-801, Ro25-6981 and AP-5 pretreatments, exploring protective roles of the three antagonists under TiO2 NPs toxicity. The studies would help to understand neurotoxic mechanisms, and provide experimental evidences for nervous system protection under TiO2 NPs neurotoxicity.

已证实纳米氧化钛暴露可引起神经细胞产生明显的钙超载和谷氨酸大量释放等，但所引起的神经毒性是否与谷氨酸代谢及其受体的表达改变有关尚不明确。为了进一步了解纳米氧化钛对神经元损伤与谷氨酸代谢及其受体表达、功能变化的关系，本课题将从体内和体外实验两方面研究如下问题:(1)纳米氧化钛对小鼠海马谷氨酸代谢的影响;(2) 纳米氧化钛对海马组织和神经元细胞谷氨酸受体亚基NR1、NR2A、NR2B和GluR1-4及其由此介导的下游信号分子表达的影响；（3）纳米氧化钛对谷氨酸受体功能的影响；(4) 利用谷氨酸受体拮抗剂MK-801, Ro25-6981和AP-5等预处理，进一步研究纳米氧化钛对海马组织和神经元细胞谷氨酸受体表达的影响，探讨这些拮抗剂对纳米氧化钛致神经损伤的防护作用。本课题对研究纳米氧化钛神经毒性的具体机制有重要意义，也将为纳米氧化钛暴露致神经毒性的防护提供实验依据。

为了进一步了解纳米TiO2对神经元损伤与谷氨酸代谢及其受体表达、功能变化的关系，本课题研究了纳米TiO2染毒后小鼠脑氧化性损伤的分子机制，表明与p38、 JNK、 NF-κB、 Nrf-2 和HO-1等细胞因子的基因及其蛋白表达的显著增加有密切关系。脑基因芯片分析表明有249个基因的表达差异达显著水平，分别涉及到学习记忆、免疫反应、脑发育、细胞凋亡、氧化应激、DNA修复、信号传导、物质代谢和细胞进程等。纳米TiO2染毒可明显抑制海马组织NR2A、NR2B、CaMKIV、CREB-1、 CREB-2和 FosB/DFosB等基因和蛋白表达，导致长时程增强(LTP)减弱和学习记忆明显下降，进一步发现这种损伤是通过NMDA受体介导突触后信号级联反应调控。研究了低剂量长期纳米TiO2染毒引起小鼠海马炎症反应的分子机制，表明与海马中TLR2、TLR4、NF–κB、NF–κBP52、NF–κBP65、NIK、IIKK–α、IKK–β和TNF–α的上调表达，及 IκB和IL–2的表达下调密切相关。纳米TiO2可导致小鼠海马组织和斑马鱼脑组织中谷氨酸代谢紊乱(即谷氨酸含量和谷氨酰胺酶的活性显著增加，而谷氨酰胺与谷氨酰胺合成酶的活性显著下降)以及谷氨酸受体亚基NR1、NR2A和NR2B表达下调。体外研究发现纳米TiO2处理大鼠原代海马神经元24h后导致了细胞凋亡，且与线粒体介导的信号通路和内质网介导的信号通路有关。处理生长到第四天的原代海马神经元24h后，发现纳米TiO2很容易通过细胞膜进入细胞质和细胞核，引起了谷氨酸代谢的紊乱(即谷氨酸含量和谷氨酰胺酶的活性显著增加，而谷氨酰胺含量与谷氨酰胺合成酶的活性显著下降)，谷氨酸受体亚基NR1、NR2A和NR2B蛋白表达下调，并可抑制原代海马神经元细胞树突发育(树突丝长度明显低于对照组)。认为纳米TiO2可通过干扰谷氨酸代谢和NMDA受体功能而引起原代海马神经元树突发育的抑制，由此影响学习记忆功能。本课题阐明了纳米TiO2引起的神经毒性与谷氨酸代谢及其受体的表达改变的关系及其神经毒性的具体机制，也为纳米TiO2暴露致神经毒性的防护提供了实验依据。