基于斑马鱼模型探究纳米二氧化硅诱发帕金森病的毒性效应及机制

Nano-SiO2 has a neurotoxic effect,but whether it can induce neurodegenerative diseases (such as Parkinson's disease) is unclear and the pathogenesis remains elusive. In the previous study, the applicant found that nano-SiO2 caused behavioral, pathological and molecular changes in zebrafish model, which is consistent with the clinical features of human Parkinson's disease. In addition, nano-SiO2 down-regulated the expression of autophagy-related genes in the brain. Therefore, the applicant hypothesized that nano-SiO2 may induce zebrafish Parkinson's disease through the autophagy pathway. This project intends to use methods involving ethology, cell biology and molecular biology to validate all these changes are Parkinson's disease in zebrafish model. The mechanism by which nano-SiO2 triggers symptoms of Parkinson's disease (motor retardation, sleep disorders, depression as well as anxiety) will be further explored. With the help of the SH-SY5Y cell line (expressing the dopaminergic marker for the study of Parkinson's disease), it is proposed to explore the mechanism by which nano-SiO2 induces pathological changes through the autophagy pathway (interfering with autophagy levels and autophagic flow). This project will clarify the risk of Parkinson's disease caused by nano-SiO2; explore the mechanism of nano-SiO2 induced Parkinson's disease and related symptoms in vivo and in vitro and elucidate the relationship with autophagy pathway, which will provide a solid reference for the research on the neurotoxicity of nano-SiO2 .

纳米SiO2具有神经毒性效应，但能否诱发神经退行性疾病（如帕金森病）尚不明确，致病机制有待阐明。在前期研究中，申请者发现纳米SiO2引起斑马鱼的行为、病理和分子指标变化与人类帕金森病的临床特征相一致；此外，纳米SiO2下调了脑中自噬相关基因的表达。由此推测，纳米SiO2可能通过自噬途径诱发斑马鱼帕金森病。本项目拟借助行为学、细胞生物学和分子生物学的手段，在斑马鱼模型中，证明行为、病理和分子变化确系帕金森病。将进一步探究纳米SiO2引发帕金森病症状（运动迟缓、睡眠障碍、抑郁焦虑）的机制。借助SH-SY5Y细胞系（表达多巴胺能标志物，用于研究帕金森病）拟探究纳米SiO2通过自噬途径（干扰自噬水平和自噬流）诱导病理的变化的机制。本课题将明确纳米SiO2致帕金森病的风险，并在体内和体外系统探究纳米SiO2引发帕金森病和相关症状中的机制，阐明与自噬途径的关系，将对纳米SiO2的神经毒性研究提供参考。

1.背景简介：纳米SiO2是大气细颗粒物（PM）的主要无机成分，同时也是大量使用的工程化纳米材料。随着大气污染的日益加重和工程化纳米SiO2的大规模使用，人群通过多种途径暴露于纳米SiO2的几率大大增加。当前对纳米SiO2对有机体的神经毒性效应和机制尚未完全阐明，同时缺乏基于模式生物的早期神经毒性预警与评价体系。本项目针对以上2个科学问题展开研究。2.研究内容：（1）以成年斑马鱼为对象，模拟人职业暴露最大浓度的纳米SiO2，探究其对整体神经行为的影响，和脑中与神经毒性相关基因的表达的影响。（2）以幼年斑马鱼为对象，模拟环境浓度的纳米SiO2，探究其对对胚胎发育神经毒性的影响，以及对脑中关键基因表达的影响。（3）基于行为表型组学，系统探讨环境污染物人工甜剂的神经毒性效应机制。3.重要结果：（1）纳米SiO2无论是职业暴露浓度还是环境浓度，显著改变了成年和幼年斑马鱼的总体行为表型，显著干扰了脑中自噬和帕金森病相关基因表达，显示出致帕金森病的风险。（2）基于斑马鱼行为表型组的行为指纹图谱与污染物的浓度和分子结构以及脑中基因表达量改变高度相关。（3）基于斑马鱼行为表型组的结构-活性关系(SARs)预测：可对现有已知神经毒性靶点的污染物进行训练分类，并可根据训练的分类模型预测新型污染物的神经毒性毒性作用靶点。4.科学意义： 基于行为表型组学的计算毒理学范式，是基于斑马鱼行为实验的毒性效应机制的合理预测:与传统计算毒理学范式相比，是in vivo实验数据驱动下的in silico计算预测，结合了整体动物实验和虚拟计算和的优势，适用性更广，计算精度更强。此范式可用于探究就典型化学品环境污染物的神经毒性效应与危害神经系统健康的机制。为从化学筛选到阐明结构-活性关系（SARs）再到识别外源性物质分子靶点的基因；开发抗环境污染毒性，恢复健康干预措施：抗神经毒性化合物的高通量筛选等研究提供参考。