利用同步辐射微束X射线荧光结合分子生物学技术研究纳米材料暴露对黑腹果蝇卵子发生过程的影响及其分子机制

It has been shown that the early embryonic stage is sensitive to nanomaterial exposure. The reproductive and developmental toxicology is one of the most important aspects in the evaluation system on bio-safety of nanomaterials. In this work, three kinds of carbon nanomaterials: single-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes and graphene oxide are used to assess the effects of nanomaterial exposure on egg chamber development during oogenesis on Drosophila melanogaster. By using synchrotron radiation micro beam X-ray fluorescence technique combined with immunofluorescence staining, immunohistochemical staining and western blotting, the activation, expression and modulation of Notch signaling during oogenesis on wild type and transgenic Drosophila after nanomaterial exposure will be investigated. Furthermore, the changes of Zn influx and efflux, the activation of Ca oscilation signal and the biodistribution of the essential trace metal, such as Fe and Cu in egg chamber during oogenesis will be imaged. The study will provide the vital experimental basis for deeply understanding the mechanism of the effect of nanomaterial exposure on early embryonic development.

胚胎的早期发育过程是纳米材料作用的敏感时期。纳米材料暴露对早期胚胎发育过程的影响是纳米材料生物安全性评价体系的重要环节。本研究拟以黑腹果蝇和转基因果蝇为模式生物，利用同步辐射微束X射线荧光技术结合免疫荧光染色、免疫组化染色、免疫印记技术等分子生物学技术，研究单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和氧化石墨烯暴露对果蝇卵子发生过程Notch信号通路的激活、表达及调控的影响；以及卵子发生过程中Zn的流入与流出、Ca振荡信号的激活以及重要必需微量元素Fe、Cu等的内稳态平衡的影响，揭示物理化学特性不同的碳纳米材料暴露对胚胎早期发育的潜在影响及分子作用机制，为深入理解纳米材料暴露对胚胎发育的影响及作用机制提供重要的实验依据。

纳米技术在食品、农产品和生物医药等领域的广泛应用，大大增加了职业人群和普通人群暴露于纳米材料的可能性，其潜在的健康效应影响亟待研究。胚胎的早期发育阶段是胚胎发育和生殖发育的关键时期，因此，评价食品及工业相关纳米材料暴露对胚胎发育早期阶段的影响，对于评价纳米材料的健康风险具有重要意义。同时，肠道系统是纳米材料暴露的主要靶向器官，肠道粘膜免疫系统是外源物质暴露的第一道屏障，肠道微生物位于肠道粘膜免疫系统的最外层，最容易与进入肠道系统中的纳米材料发生相互作用，破坏肠道微生物数量和组成多样性，而肠道菌群失衡与多种疾病的发生密切相关。因此，关注纳米材料暴露对肠道系统的影响，特别是对具有重要生理功能的肠道菌群平衡的影响，对纳米材料生物医学应用具有重要的意义。SWCNTs摄入可以激活胚胎的PI3K-Akt-mTOR信号通路，刺激黑腹果蝇早期胚胎发育过程，利用同步辐射微束X射线荧光技术，研究发现，黑腹果蝇胚胎内微量元素内稳态平衡的破坏是碳纳米材料暴露引起胚胎发育异常的重要原因之一；SWCNTs口服暴露后，利用其在自身的抗菌活性，破坏小鼠肠道内微生物结构和功能完整性，导致小鼠肠道菌群失衡，增加肠道炎症发生风险；AgNPs口服暴露诱导的小鼠肠道微生物厚壁菌门与拟杆菌门比值下降是高剂量纳米材料诱导小鼠肠道炎症发生和肠道损伤的一个潜在作用机制；ZnONPs与Mesalazine（5-ASA）联合口服给药，可以调节体内肠道菌群平衡，增加有益菌含量，降低有害菌比例，增强肠道内抗氧化酶系统活性，缓解DSS诱导的炎症性结肠炎程度，为纳米技术治疗炎症性肠道疾病提供一个潜在的治疗靶点。