利用体外神经血管单元模型评价金属纳米颗粒中枢神经毒性

Central neurotoxicity evaluation technology for metal nanoparticles(MNPs) is one of the key technologies of nano-safety research. In this project, a "three steps" metal nanoparticles neurotoxicity prediction system was constructed using cell co-culture techniques, based on the form of the neurovascular unit(NVU) as the breakthrough point, and considering the characteristic of MNPs neurotoxicity. "First step model" is the brain microvascular endotheliocytes toxicity test system; "Second step model" is the astrocytes toxicity test system and "Third step model" is the neurons toxicity test system. The "three steps" toxicity test model completely simulated the in vivo process that MNPs passed the blood brain barrier in blood circulation and reached to neurons, finally, via astrocytes. The prediction system is an effective approach for evaluating diversified central neurotoxicity caused by MNPs with the characteristics of modular form, simplify operation, and abilities of high throughput screening and comprehensive analysis the neurotoxic effect of the investigated materials. The central neurotoxicity evaluation technology could fill the gap which is not consummated in this field. The basis data information about MNPs safety, which obtained with the evaluation technology in this research, is an important basis for constituting nano-safety standards.

金属纳米颗粒中枢神经毒性评价技术是纳米安全性研究关键技术之一。本项目提出以神经血管单元为切入点，根据神经血管单元的形态组成，结合金属纳米颗粒产生神经毒性作用特点，采用细胞共培养技术，构建"三阶"式金属纳米颗粒神经毒性预测体系。分别为"一阶模型"，即脑微血管内皮细胞毒性测试系统、"二阶模型"，即星型胶质细胞毒性测试系统和"三阶模型"，即神经元毒性测试系统。三阶段毒性测试模型完整模拟了金属纳米颗粒在体内从血循环穿越血脑屏障，途经星型胶质细胞最后到达神经元的作用过程。该预测体系建成后具有组成模块化、可操作性强、可高通量筛检以及能够综合分析待查物质神经毒作用效应的特点，是实现对金属纳米颗粒多样化中枢毒性评价的有效途径。基于该思路的毒性评价技术能够填补当前金属纳米颗粒中枢毒性评价方法尚待完善的空白，利用本研究成果获得的金属纳米颗粒安全性基础数据资料，是提出和制定纳米安全标准的重要依据。

推动建立纳米材料毒性评价技术方法体系是纳米健康安全管理的需要。本项目提出以神经血管单元为切入点，根据神经血管单元的形态组成，结合金属纳米颗粒神经毒性作用特点，采用细胞共培养技术，构建“三阶”式金属纳米颗粒神经毒性预测技术体系。项目实施中首先建立由血脑屏障通透性毒性测试模型、脑星型胶质细胞毒性测试模型和神经靶细胞（皮层神经细胞、SY5Y）毒性测试模型共同组成的准“三阶”模型。随后选取40、80、100和200 nm粒径近球型纳米氧化铜颗粒（CuO-NPs）作为试验材料，在试验比对确定金属纳米材料染毒分散体系前提下，分别以血脑屏障通透性改变、纳米材料对血脑屏障穿透能力、纳米材料对“三阶”模型系统组分包括脑微血管内皮细胞（BCECs）、脑星型胶质细胞（As）、皮层神经细胞和SY5Y细胞在氧化性水平、细胞钙离子浓度、细胞凋亡，以及细胞ATP水平改变为观察指标，通过试验研究评估上述“三阶”模型用于对金属纳米颗粒潜在中枢神经毒性进行预测性筛检的有效性，并形成相适应的毒性筛检技术策略。在完成以上工作基础上，利用该“三阶”筛检模型对包括纳米氧化铝（Al2O3）在内的7种纳米材料中枢毒性进行测评。研究结果表明，“三阶”模型建立过程简单、使用经济有效，可作为快速目标金属纳米材料是否具有潜在中枢神经毒性的测试技术平台。