接触氧化镁纳米颗粒会通过破坏镁的稳态，导致鱼类（Megalobrama amblycephala）的线粒体功能障碍和细胞凋亡

《Aquatic Toxicology》：Exposure to magnesium oxide nanoparticles induces mitochondrial dysfunction and apoptosis in fish Megalobrama amblycephala by disrupting magnesium homeostasis

纳米颗粒毒性研究：以斑马鱼为模型，揭示MgO NPs通过破坏镁稳态引发线粒体功能障碍和凋亡的关键机制。

　　

张玲|刘子尚|熊思思|董艳洲|郭月云|张定东|江光珍|刘文斌|李向飞

江苏省水生营养与饲料科学重点实验室，南京农业大学动物科学技术学院，中国南京市卫岗路1号，210095

摘要

氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）的广泛使用可能对水生生态系统和人类健康产生生物效应和毒性。然而，关于MgO NPs的潜在毒性研究却很少。本研究采用鱼类Megalobrama amblycephala作为模型，通过体内和体外实验系统地评估了MgO NPs的毒性。在体内实验中，鱼类暴露于不同浓度的MgO NPs（0、50和100 mg/L）水中；在体外实验中，原代肝细胞暴露于不同浓度的MgO NPs（0、16和32 mM）培养基中。结果表明，MgO NPs会破坏镁的稳态，导致线粒体功能障碍，并在体内和体外均引发细胞凋亡。这一现象通过线粒体中镁含量的升高、Trpm7和Mrs2蛋白的表达增加、MMP的丢失、线粒体复合物IV和V的活性受损、Cyt-c和caspase 3的表达上调以及Bcl-2的表达下调得到证实。总体而言，MgO NPs的暴露会扰乱镁的稳态，从而导致线粒体功能障碍和细胞凋亡。

引言

氧化镁纳米颗粒（MgO NPs）在食品制造、化工、电子、农业和生物医学领域的广泛应用增加了它们在环境中的存在（Alqahtani和Alomar, 2016; Ali等, 2017）。MgO NPs的潜在释放途径包括电子和陶瓷制造产生的工业废水、将MgO NPs用作抗菌剂或肥料成分的农业径流，以及医疗和制药行业的污水排放（Ali等, 2017; N?dzarek等, 2020）。特别是，MgO NPs的广泛使用可能导致大量释放到水环境中，破坏水生动物和人类的稳态机制，对水生生态系统和人类健康产生深远影响（N?dzarek等, 2020）。尽管MgO NPs通常被认为是一种安全的化合物，但其环境归趋仍不甚清楚。目前，针对MgO NPs直接暴露和长期积累的风险评估指南尚不完善（Ghobadian等, 2015; Gelli等, 2015）。因此，揭示MgO NPs的环境归趋和毒理学特性仍然是重要的研究重点。

肝脏作为关键的解毒器官，特别容易受到纳米颗粒（NP）的毒性影响，同时也是NP生物积累的主要场所（Sangkham等, 2022）。同时，细胞凋亡在应对环境毒素时起着重要作用，而NP诱导的过度凋亡通常会导致肝脏损伤（Daei等, 2023）。然而，MgO NPs诱导细胞凋亡的潜在机制仍不明确。实际上，金属氧化物的主要细胞毒性因素是金属离子的释放（Leung等, 2014），而MgO NPs能够在体内释放大量镁（Verma等, 2008）。线粒体是细胞内镁的主要储存库，能够在代谢刺激下积累和释放Mg²⁺（Killile和Killile, 2022）。在线粒体层面，镁调节电子传递链中的多个亚基（Pilchova等, 2017）。镁稳态的失衡会破坏线粒体动态，从而降低线粒体膜电位并阻断三磷酸腺苷（ATP）的合成，最终影响线粒体功能（Wolf等, 2003; Yamanaka等, 2016）。越来越多的证据表明，线粒体功能障碍是细胞凋亡的关键驱动因素，因为受损的线粒体会释放促凋亡的细胞色素c（Cyt-c），进而激活caspases诱导细胞死亡（Huang等, 2007; Jeong和Seol, 2008）。近年来，MgO NPs对生物体的潜在不良影响引起了广泛关注。多项研究发现，MgO NPs对某些模型细菌（如Bacillus subtilis、Escherichia coli和Staphylococcus aureus）具有毒性（Huang等, 2005; Mirhosseini和Afzali, 2016）。最近的研究还发现，MgO NPs会导致草鱼（Ctenopharyngodon idella）的DNA损伤和氧化应激（Hussain等, 2025）。尽管如此，MgO NPs的毒理学机制仍不十分清楚。

鱼类生活在水生环境中，纳米颗粒必须先通过水介质才能发挥作用（Sarkar等, 2022）。目前，纳米材料对淡水鱼类的生物毒性是一个严重问题，因为这些鱼类是人类重要的食物来源（Aamir等, 2016）。钝吻鰤（Megalobrama amblycephala）是一种广泛接受的淡水食用鱼，主要在中国养殖，并在全球范围内分布。由于其在水产养殖中的经济重要性、对环境压力的生理反应特征以及对纳米颗粒暴露的敏感性，这种鱼类常被用作环境和生态毒理学研究的测试对象（Liu等, 2017; Wang等, 2017; Chen等, 2025）。此外，从该物种中分离原代肝细胞的成熟技术使得体内和体外实验可以同时进行（Zhang等, 2025），使其成为评估MgO NPs毒性的理想模型。因此，本研究选择它作为实验动物，重点考察MgO NPs对镁稳态、线粒体功能和细胞凋亡的影响。

实验部分

伦理

所有动物实验均获得了南京农业大学机构动物护理和使用委员会的批准（许可编号：SYXK (Su) 2021-0086）。

MgO NPs溶液的制备与表征

将MgO NPs（CAS 1309-48-4，Aladdin，中国）的储备溶液分散在去离子水中制备。使用前，通过超声处理使悬浮液均匀分布。为了进行透射电子显微镜（TEM；H-7650，Hitachi）分析，将一定量的MgO NPs分散在乙醇中并涡旋混合。

MgO NPs的表征

MgO NPs的TEM图像如图1 A所示，呈椭圆形，粒径约为50纳米。从SEM分析（图1 B）可以看出，MgO NPs颗粒分布均匀，颗粒间的边界清晰可见。值得注意的是，由于重力作用，这些颗粒聚集成了团块。MgO NPs在水相和乙醇相中的ζ电位分别为-7.20 mV和2.25 mV。

讨论

SEM和TEM结果显示，本研究中使用的MgO NPs具有大致椭圆形的颗粒结构，粒径约为50纳米。MgO NPs的表面形态与Abdel-Aziz等（2020）的研究结果一致。ζ电位是衡量纳米颗粒在悬浮液中稳定性的重要方法（Ammulu等, 2021）。本研究表明，MgO NPs在水中具有接近中性的表面电荷，这有利于颗粒的聚集，正如SEM图像所观察到的那样。

结论

本研究首次证明，MgO NPs的暴露会破坏鱼类的镁稳态，进而影响线粒体功能，并最终诱导细胞凋亡。为了保护水生生物和人类健康，必须监测MgO NPs向环境的释放，并确保其浓度保持在安全范围内。

作者贡献

概念构思：X.F.L.和L.Z.；方法学、软件、验证、数据分析、调查、资源协调、数据管理、初稿撰写：L.Z.；审稿和编辑：X.F.L.；可视化：Z.S.L.、S.S.X.、Y.Z.D.、Y.Y.G.、D.D.Z.和G.Z.J.；项目管理：W.B.L.和X.F.L.；资金筹集：X.F.L.和W.B.L.所有作者均参与了手稿的修订和审核。

数据可用性

数据可应要求提供。

CRediT作者贡献声明

张玲：概念构思、数据管理、数据分析、方法学、软件应用、验证、可视化、初稿撰写。刘子尚：可视化。熊思思：可视化。董艳洲：可视化。郭月云：可视化。张定东：可视化。江光珍：可视化。刘文斌：资金筹集、项目监督。李向飞：概念构思、资金筹集、项目管理、项目监督、初稿撰写。