SiO?纳米颗粒和CuO纳米颗粒对尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）大脑组织结构及转录组反应的影响

《Aquaculture》：Effects of SiO 2NPs and CuONPs on the histoarchitecture and transcriptomic responses in the brain of Nile tilapia, Oreochromis niloticus

评估了二氧化硅纳米颗粒（SiO?NPs）和氧化铜纳米颗粒（CuONPs）对尼罗 tilapia 脑神经毒性的亚致死效应。三周暴露实验表明，高浓度（100 mg/L SiO?NPs，50 mg/L CuONPs）引发脑组织神经退行性变（神经元萎缩、水肿、坏死、空泡化），并上调氧化应激相关基因金属硫蛋白，下调突触传递相关基因（如多巴胺受体2、乙酰胆碱酯酶等）。

　　

艾哈迈德·E·诺雷丁（Ahmed E. Noreldin）、穆斯塔法·舒克里（Mustafa Shukry）、阿克拉姆·伊斯梅尔·谢哈塔（Akram Ismael Shehata）、穆罕默德·F·埃尔·巴苏伊尼（Mohammed F. El Basuini）、哈尼·M·R·阿卜杜勒-拉蒂夫（Hany M.R. Abdel-Latif）

埃及达曼胡尔大学（Damanhour University）兽医学院组织学与细胞学系，达曼胡尔 22511

摘要

工程纳米材料，尤其是二氧化硅纳米颗粒（SiO?NPs）和氧化铜纳米颗粒（CuONPs）的广泛应用，由于它们不断释放到水生生态系统中，引发了严重的环境问题。本研究旨在评估SiO?NPs和CuONPs对尼罗罗非鱼大脑的亚致死神经毒性作用。在受控实验室条件下，将幼鱼暴露于不同浓度的SiO?NPs（0、20、40和100 mg/L）和CuONPs（0、10、20和50 mg/L）中，持续三周。组织病理学检查显示，小脑和视顶盖出现与浓度相关的神经退行性变化，包括神经元萎缩、水肿、坏死和空泡形成，最高浓度下的损伤程度最为严重。转录组分析表明，在中等和高浓度下，与氧化应激相关的金属硫蛋白基因以及神经内分泌调节因子spexin显著上调。此外，关键神经传递相关基因（如多巴胺受体2、胆碱能受体β-2亚单位、乙酰胆碱酯酶和γ-氨基丁酸受体γ-3亚单位）的表达显著下调，尤其是在100 mg/L的SiO?NPs和50 mg/L的CuONPs处理组中，这表明突触信号传导受损，可能存在行为功能障碍。总之，研究结果突显了SiO?NPs和CuONPs对尼罗罗非鱼的神经毒性作用，表现为组织结构恶化以及与氧化应激、炎症和神经传递相关的基因表达显著紊乱。值得注意的是，50 mg/L的CuONPs和100 mg/L的SiO?NPs是引发显著不良转录组和组织病理学反应的最高浓度，表明这些浓度具有神经毒性。本研究提供了纳米颗粒诱导神经毒性的新分子证据，并强调了迫切需要环境监管以降低这些纳米材料在水生生态系统中的风险。

引言

纳米技术的快速发展通过开发工程纳米材料（ENMs）彻底改变了多个工业、生物医学和农业领域，这些材料在纳米尺度上表现出独特的物理化学性质（El Basuini等人，2025；Kumar，2025；Mahmud和Haque，2025）。在各种工程纳米材料中，二氧化硅纳米颗粒（SiO?NPs）和氧化铜纳米颗粒（CuONPs）因其广泛应用而受到广泛关注（Nguyen等人，2024；Vibhute等人，2023）。SiO?NPs在生物医学领域被用于药物输送系统、生物成像、细胞标记和超声造影剂，同时在农业中作为杀虫剂和肥料添加剂（Rastogi等人，2019；Santos等人，2014）。在工业上，它们是涂料、油漆、印刷碳粉、抛光剂和分析工具的重要组成部分（Mizutani等人，2006；Park等人，2013）。CuONPs因其催化、电子和光学特性而受到重视，并具有强大的杀菌、抗菌和抗真菌活性，因此被用于防污涂料、传感器、印刷油墨和各种工业涂层（Grigore等人，2016；Manikandan等人，2023；Pantidos等人，2018）。这些材料的不断增加生产和使用不可避免地导致它们通过废水、径流和不当处理方式释放到水生环境中，从而带来潜在的生态风险（Abdel-Daim等人，2019；Ogunfowora等人，2021；Shanmugam等人，2024）。

水生生态系统，尤其是淡水栖息地，成为纳米颗粒污染物的最终汇积地，其物理化学相互作用可以改变纳米颗粒的行为、生物利用度和毒性（Anawar和Strezov，2019；Singh等人，2023）。鱼类作为水生健康的关键生物指示物，容易受到纳米颗粒的影响，可能导致不良的生理和生化效应（Mahboub等人，2021；Samim等人，2023）。实验证据表明，暴露于SiO?NPs会导致氧化应激、离子调节紊乱、DNA片段化以及鳃、肝脏、肾脏和大脑等关键器官的组织病理学改变（Athif等人，2020a；Athif等人，2020b）。例如，莫桑比克罗非鱼（Oreochromis mossambicus）在亚致死剂量的SiO?NPs暴露后表现出不可逆的组织损伤和抗氧化酶活性改变（Vidya和Chitra，2018a，Vidya和Chitra，2018b），而斑马鱼（Danio rerio）胚胎则表现出由这些纳米颗粒引起的氧化损伤和DNA断裂导致的发育毒性和神经行为障碍（Batir-Marin等人，2025；Rashidian等人，2023）。CuONPs暴露与氧化应激诱导、血液学和生化失衡、铜离子的生物积累以及斑马鱼、虹鳟鱼、普通鲤鱼、孔雀鱼和非洲鲶鱼等鱼类的组织退化有关（Al-Bairuty等人，2013；Batir-Marin等人，2025；Duran等人，2017；Mansouri等人，2015）。纳米颗粒的毒性机制受其大小、浓度、溶解速率和聚集行为的影响，这些因素调节其生物利用度和细胞相互作用（Kochar等人，2022；Malhotra等人，2020；Sielska和Skuza，2025）。在分子水平上，CuONPs已被证明可以调节与细胞应激反应相关的基因转录表达，包括热休克蛋白（HSP70、HSP90）、促炎细胞因子（如TNF-α、IL-1β）、氧化应激标志物和凋亡调节因子，从而破坏暴露鱼类的细胞稳态和免疫功能（Naeemi等人，2020；Torrealba等人，2019；Wang等人，2015）。然而，SiO?NPs对鱼类组织的分子影响，尤其是在神经组织方面的影响，仍研究不足。

尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）是一种全球重要的水产养殖物种，因其生长速度快、适应多种环境条件能力强以及消费者需求高而受到重视（Abd El-Hack等人，2022；El-Sayed和Fitzsimmons，2023；Shehata等人，2026）。此外，由于其易于饲养和对环境污染物（包括重金属和工程纳米材料）的生理反应特征明确，它也是水生毒理学中的可靠模式生物（Abd El Megeed等人，2025；Khalefa等人，2024）。多项研究表明，暴露于CuONPs会导致氧化应激、重要器官中的铜积累、生化紊乱以及严重的组织病理学改变，尤其是在尼罗罗非鱼的肝脏和肾脏组织中（Soliman等人，2021；Tun?soy和Erdem，2018）。在各种器官中，大脑由于含有大量多不饱和脂肪酸、相对于体重而言氧气消耗量大以及内源性抗氧化防御机制有限，特别容易受到氧化损伤（Carmo等人，2019；Karageorgos等人，2006）。对这种压力的早期分子反应通常体现在转录变化上，因此基因表达谱分析是评估亚致死毒性的敏感和有信息量的工具（Afifi等人，2016；Dondero等人，2006）。

先前的研究还表明，颗粒状纳米颗粒和银纳米颗粒都会对尼罗罗非鱼产生毒性作用，其中SiO?NPs和CuONPs的毒性更强，尤其是在肝脏和鳃组织中（Abdel-Latif等人，2021a；Abdel-Latif等人，2021b）。CuONPs显著损害了肝脏和肾脏功能，导致不可逆的组织损伤，并上调了参与炎症信号传导、氧化应激、凋亡和细胞应激途径的基因（Abdel-Latif等人，2021a）。同样，SiO?NPs暴露也导致明显的生化紊乱、组织损伤以及应激和免疫反应基因的表达改变（Abdel-Latif等人，2021b）。这些数据共同强调了严格的环境监测和纳米颗粒污染风险评估策略的紧迫性。然而，尽管关于纳米材料系统毒性的证据越来越多，但对于它们在鱼类大脑中的神经毒性潜力及其相关的转录组反应仍知之甚少。这些知识对于阐明纳米颗粒诱导的神经毒性分子机制以及制定生态和监管框架至关重要。因此，本研究旨在评估SiO?NPs和CuONPs对尼罗罗非鱼大脑组织结构和转录组反应的亚致死效应。我们通过研究组织病理学变化以及与氧化应激、炎症和凋亡相关的基因表达谱，来阐明纳米颗粒暴露引发的潜在神经毒性机制。这种综合方法为广泛使用的工程纳米材料的神经毒性提供了重要见解，有助于环境风险评估框架的建立，并为未来关于水生系统中纳米颗粒污染的法规提供依据。

SiO?NPs和CuONPs的制备与表征

SiO?NPs和CuONPs由埃及开罗的Naqaa纳米技术有限公司提供。SiO?NPs采用St?ber方法合成（St?ber等人，1968），而CuONPs则按照Khan等人（2016）的方法制备。纳米颗粒的形态和大小通过TEM（JEM-1400，JEOL）进行表征，表面性质通过SEM和EDX（JSM-5300，JEOL）进行评估。Zeta电位使用Zetasizer Nano Series（Malvern Instruments，英国）测量。所有分析均在药学院进行。

SiO?NPs暴露后的大脑组织病理学

图1展示了对照组和暴露于SiO?NPs三周的尼罗罗非鱼大脑视顶盖结构的显微照片。阴性对照组显示正常的视顶盖结构，包括内层的室周层（SPV）、中央白层（SAC）、中央灰层（SGC）、表层纤维灰层（SFGS）、视层（SO）和边缘层（SM）。

讨论

随着工程纳米材料在工业、医疗和环境应用中的日益增多，由于其物理化学稳定性、抗菌性能和多功能性，SiO?NPs和CuONPs等材料得到了广泛应用（Amin和Aziz，2025；Khedr等人，2025）。然而，它们的潜在生态毒性风险，特别是神经毒性，仍知之甚少。由于纳米颗粒体积小且反应性强，它们能够穿越生物屏障。

结论

本研究表明，暴露于SiO?NPs和CuONPs会导致尼罗罗非鱼幼鱼的显著神经毒性作用，表现为脑组织损伤以及与氧化应激、神经内分泌功能和神经传递相关的基因表达改变。这些效应具有剂量依赖性，最高浓度（100 mg/L的SiO?NPs和50 mg/L的CuONPs）造成的损伤最为严重。这些发现揭示了纳米颗粒诱导神经毒性的关键分子机制。

作者贡献声明

艾哈迈德·E·诺雷丁（Ahmed E. Noreldin）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、数据管理、概念构建。穆斯塔法·舒克里（Mustafa Shukry）：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、方法学设计、实验研究。阿克拉姆·伊斯梅尔·谢哈塔（Akram Ismael Shehata）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法学设计、实验研究、数据分析。穆罕默德·F·埃尔·巴苏伊尼（Mohammed F. El Basuini）：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、资源获取、方法学设计、数据分析。哈尼·M·R·阿卜杜勒-拉蒂夫（Hany M.R. Abdel-Latif）：撰写 – 审稿与编辑

资助

本研究未获得任何资助。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。