美国威斯康星大学Rebecca D. Klaper、Becky J. Curtis,、Nicholas J. Niemuth和 Evan Bennett等人利用转录组学鉴定了不同物种对纳米材料响应的共同分子机制。成果发表在2022年4月Nature Nanotechnology期刊上。

研究背景

工程化纳米材料(ENMs)对各种生物均具有毒性，这取决于包括表面电荷和官能团、尺寸、形状和材料组成在内的物理化学性质。例如，金属氧化物纳米材料铜和氧化锌的EC50值从甲壳类的0.01mgl⁻¹到鱼类的1.36mgl⁻¹和原生动物的38mgl⁻¹不等。不同物种之间差异产生的机制解释尚不清楚，这其中可能存在共同的毒性机制(例如，氧化应激途径)。需要以统一的标准检查多个物种，以确定可能导致ENM毒性的物种特有机制，或者，物种对共同统一机制的反应程度不同，从而导致对ENM的毒性敏感性。

此前纳米材料的毒性研究往往集中在单一物种的影响上，尽管有学者通过荟萃分析试图降低这一影响，但这一策略受到曝光介质不均匀、纳米材料批次效应、不同曝光持续时间以及物种发育阶段差异的干扰。在先前的研究工作中，锂钴氧化物（LCO）纳米片在大型纤毛虫、斑马鱼和摇蚊这三类代表底栖和远洋生境以及不同的摄食方式的不同物种中表现出不同的反应。因此深入其内在机制能够扩大目前对ENMS毒性机制的了解，为改进或开发新的材料应用提供新见解。

鉴于此，该课题组以锂钴氧化物（LCO）纳米片为研究对象，利用全转录组测序技术，分析不同物种之间对LCO的差异及这种敏感性产生的共同分子机制。

物种特异性转录组反应与对纳米材料暴露的敏感性相关

通过转录组差异基因分析，结果显示摇蚊对LCO暴露最不敏感，差异表达( DE )基因的数量最少 (图1A)，水蚤的基因表达变化最大。而在纳米颗粒低浓度时，斑马鱼的DE基因的绝对数量(与对照相比) 变化最大( 图1g，y)，而水蚤有2,399个 (图1p，z)，在10 mg l⁻¹暴露下，水蚤中DE基因的数量跃升至5,640个 (图1T，z)，而在斑马鱼中，DE基因的数量没有实质性变化 (5,389；图1K，y)。除了基因的绝对数量，差异基因所涉及的相关通路表明生物如何以物种特有的方式受到影响，能够从机制上阐释导致物种敏感性不同的原因。

图1：不同物种差异基因分析

共有途径中的差异基因表达可能与物种敏感性有关

图2：跨物种差异基因通路分析

生物吸收影响纳米材料生物作用

吸收和毒物动力学的差异也可能影响物种敏感性，替代的喂养策略可能会导致不同物种之间对化学品的相互作用和吸收的差异。鉴于此，该团队进一步探讨上述差异基因及相关通路是否与吸收相关。结果发现对于所有物种，差异基因的数量随着材料吸收的增多而增加；然而，响应的幅度不同，这表明ENM吸收不是所观察到的生化影响背后最重要的驱动因素（图3）。

图3：生物吸收的影响

总结与展望

这项研究工作揭示了物种对纳米材料的特定反应，这与差异基因的数量和类型以及相关通路的敏感性有关。这些发现对进一步阐明这些机制的反应程度如何导致不同物种对纳米材料毒性反应的差异具有重要意义。后续科研人员可以进一步研究这些模式物种，共同建立公共数据库以更好的整合纳米材料在不同物种的生物作用。

参考文献：

Curtis, B.J., Niemuth, N.J., Bennett, E. et al. Cross-species transcriptomic signatures identify mechanisms related to species sensitivity and common responses to nanomaterials. Nat. Nanotechnol. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01096-2