摘要：目前，纳米技术是一个数万亿美元的商业领域，涵盖了许多行业，如医药、电子和化学。在当今时代，纳米技术从研究水平向产业水平的商业转型正在刺激世界经济总量的增长。近年来，越来越多的试验使用斑马鱼作为动物模型评价纳米颗粒的毒性。在目前的深入研究中，我们讨论了利用斑马鱼及其胚胎进行纳米颗粒毒性评估的最新研究方法。不同类型的参数用于评估纳米粒子的毒性如孵化成功率、器官发育畸形，鳃和皮肤损伤，异常行为（运动障碍）、免疫毒性、遗传毒性、基因表达、神经毒性、生殖毒性、内分泌系统的破坏，最终死亡。此外，我们还强调了不同的纳米粒子，如银纳米粒子，金纳米粒子，金属氧化物纳米颗粒（二氧化钛，氧化铝，氧化铜，氧化镍和氧化锌）的毒性作用。最后，展望了斑马鱼模型的未来发展方向和相关的实验研究。

 

 

背景：纳米技术以纳米级材料的设计、开发、描述和应用著称。由于在形状、大小、表面和化学性质方面可以进行多方面的修改，其应用范围不断扩展。纳米材料的表面可以根据其应用如药物传递来调节，纳米材料的生物相容性可以被修饰，靶向配体可以增强它们的细胞特异性靶向性。人们正在使用各种各样的商用纳米颗粒，如（1）银纳米粒子用于床单和衣服，（2）二氧化钛纳米粒子可用于不同的化妆品、洗液和面霜中。（3）碳纳米颗粒用于摩托车和自行车，（4）粘土纳米颗粒用于啤酒瓶。事实上，越来越多的文献记录了广泛的工程化纳米颗粒/纳米材料的毒性问题，如碳纳米管、富勒烯、石墨烯金属纳米颗粒、金属氧化物纳米粒子、晶体材料、非晶材料和纳米聚合物。

 

斑马鱼：一种受欢迎的实验动物模型：斑马鱼作为现代实验动物模型的全球认可度正在逐渐增加。该动物模型的成人和胚胎阶段都在毒理学和生物医学研究领域中广受欢迎。其体积小，高繁殖率，快速成熟，透明的胚胎和默认的遗传背景。此外，我们还可以找到关于斑马鱼实验的大量文献。斑马鱼是一种小型动物可以毫无困难地进行处理。卵孵化迅速，在受精后120小时幼虫可以开始进食，表明从该点开始对斑马鱼幼虫进行实验。另一个优点是胚胎是透明的，早期幼虫阶段所有的细胞都可以观察到。此外，器官和组织也可以很容易地在体内可视化，并可以立即检查。此外，斑马鱼具有较高的繁殖力，产生大量的胚胎。例如，雌性动物在极限条件下每周产卵300个左右。这可能导致雌性每公斤产卵量为300000个卵。此外，可以在实验室水族箱中加入植物和砾石。也观察到卵迅速孵化，器官迅速发生。其结果是，在幼虫受精后5～6天内发育出主要器官。雌性的大小可以达到38毫米，而雄性最大平均尺寸为35毫米，重量分别为0.9和0.6克。斑马鱼的另一个主要优点是这种动物模型的心血管、神经和消化系统与哺乳动物相似。此外斑马鱼和人类有高度的基因组同源性。

 

斑马鱼模型的独特性：研究了几种模式生物以了解各种人类疾病及其遗传紊乱的机制。常用的生物有酵母、秀丽隐杆线虫、斑马鱼、小鼠、猴子。果蝇或线虫是研究与普通分子机有关的遗传功能事件的优秀模型。这些模型有助于我们理解调控分子机制，如复杂的通讯蛋白或信号转导通路。相反，脊椎动物模型系统，如小鼠、斑马鱼和猴子，与无脊椎动物模型生物相比是最适合人类患病状态的模型。在整个脊椎动物模型中，最广泛研究的是小鼠模型系统。然而，在小鼠模型中，一些缺点是显著的，例如：（1）遗传学很困难；（2）母体胚胎操作和胎儿实验比较复杂；（3）发育阶段和生命周期比较耗时；（4）动物饲养和动物房设施开发成本高。由于斑马鱼具有与小鼠模型不同的优点，因此它成为一个重要的模型系统，可以连接发育、疾病和毒理学研究。因此，在目前的情况下，斑马鱼可以表示为一个有趣的工具评估纳米粒子的毒性。

 

评价纳米微粒毒性的不同方法：孵化成果分析：斑马鱼的孵化是研究人员了解化学/纳米材料毒性的最重要的方法之一。各种报告详细描述了斑马鱼胚胎发育阶段的时间跨度。根据Kimmel等人报告孵化发生在头3天内。Villamizar等人说明孵化事件与光相位对应的节律性模式有关。最大卵在受精后约2天开始孵化。成功孵化效率和胚胎毒性的相关性是评价毒性的重要参数。最近，研究人员利用二氧化钛纳米颗粒，通过评估孵化成功率和暴露后几个小时之间的关系来了解孵化事件和胚胎毒性。有人发现，纳米二氧化钛可以导致斑马鱼胚胎过早孵化，有剂量依赖性。绒毛膜暴露于纳米颗粒后导致孵化抑制和胚胎死亡。他们还得出结论，纳米颗粒与孵化酶相互作用，因此它们负责毒性，而不是其离子形式。

 

胚胎器官发育畸形分析：胚胎和器官的畸形是毒性筛选的另一个参数。发育畸形包括不完整的器官发育不完全的身体部分，如眼睛或头部的形成和发展如不完整等身体部位的弯曲脊索畸形，肋畸形和缺乏色素沉着。Ali和legler表明即使暴露于低剂量化学物（壬基酚）后，斑马鱼胚胎发育畸形。Usenko等人在200 ppb的浓度的C60，C70下观察到尾鳍畸形，暴露于2500ppb的C60(OH)24下出现卵黄囊水肿、心包水肿和胸鳍畸形。暴露于5000ppb的C60(OH)24下出现斑马鱼胚胎肿胀和延迟发育。因此，可以利用斑马鱼模型筛选纳米材料的毒性曲线。

 

离体/活体成像：该模型的另一个重要用途是通过体外成像来分析毒性。几种特殊的成像技术可用于毒性研究。例如，斑马鱼胚胎的动态细胞成像是一种安全评估方法，现在已被几个科学家使用。此外，高内容成像（HCI）方法也允许我们收集自动化的视觉数据和图像分析。HCI方法快速，可用斑马鱼幼虫进行化学筛选。目前，全身成像是理解三维形态结构病理生理学的一种具有挑战性的方法。全身成像是高胆固醇血症雌性斑马鱼了解病理三维形态结构的表现。此外，在体内实时成像也被用来了解毒性虽然银纳米粒子的商业用途正在扩大，但其毒性也广为人知。鉴于此，生物成像研究毒性胆酸钠为模板的银纳米团簇在斑马鱼胚胎发育阶段进行。因此，由于生物成像技术的广泛应用，斑马鱼可以进一步探索，以确定各种纳米材料的毒性分布。

 

转基因斑马鱼作为生物活性传感器：转基因斑马鱼模型是毒理学研究的一个潜在选择，它还可以用来评价生物传感器的毒性。在暴露于有毒化学物质后，斑马鱼的形态变化非常明显。Lee等人开发了一种转基因斑马鱼胚胎，名为“huorfz胚胎”能准确检测各种污染物化合物，还可作为水报警系统，用于监测水体中有害污染物的处理。细胞色素P450（CYP）的意义，作为一种重要的生物标志物用于检测致癌物化合物，如多环芳烃（PAHs）。转基因斑马鱼使用CYP的绿色荧光蛋白（cyp-gfp）构建实时成像，使用多氯联苯作为污染物检测水质毒性水平。Almeida等人还开发了荧光的转基因斑马鱼表达不稳定的荧光蛋白（DsRed）了解农药产生的毒性。，利用转基因斑马鱼作为潜在的生物标志物进行毒性分析。

 

行为分析：斑马鱼的行为反应也是毒性异常变化的敏感指标，现在已成为评价毒性水平的一个重要参数。在行为反应中，游泳动力学是最相关和高度研究的参数。通过化学毒性改变了游泳速度和深度。Kokel等人生成一个行为“条形码”来理解化学毒性。Chen等人进行的另一项实验]还表明，纳米二氧化钛影响幼虫游泳参数，包括速度和活性水平。

 

鳃、皮肤和内分泌系统的破坏：纳米粒子对鳃、皮肤和内分泌系统的破坏是了解纳米粒子诱导毒性的另一个参数。据报道，鳃是水性纳米粒子等水性物体的最重要目标。银纳米粒子（银离子）产生急性毒性，主要是由于它们与鳃的相互作用。在鳃，银离子抑制Na + / K + - ATP酶与Na+和Cl-的–吸收的酶活性，最终影响渗透。Griffitt等人表明铜纳米颗粒对斑马鱼有剧毒，其悬浮液可能损害鳃片。此外，报告显示纳米颗粒对斑马鱼皮肤也有毒性。在胚胎皮肤中，纳米粒通过扩散或内吞作用进入幼虫表皮层，并通过凋亡引起皮肤异常。化学暴露也会导致斑马鱼内分泌紊乱。

 

免疫毒性：免疫毒性为外源性化学物对免疫系统的正常功能通过直接或间接方法产生的毒性作用。直接毒性引起免疫抑制导致对各种疾病的抵抗力降低。纳米粒子的免疫毒性已被一些科学家证明。各种研究表明，纳米颗粒（包括金属氧化物纳米颗粒）通过产生自由基来调节细胞因子的产生。一些纳米颗粒也与过敏性过敏有关，可以增加哮喘的发病趋势。一种有毒的化学物质如氯氰菊酯诱导斑马鱼的细胞凋亡和免疫毒性。

 

遗传毒性：遗传毒性是指由于化学物质的出现而引起的细胞内遗传信息的损伤，导致基因突变、染色体改变和DNA损伤。遗传毒性是致癌等长期毒性作用的主要危险因素。斑马鱼模型已被用来研究各种技术不同的化学物质诱导的遗传毒性。Cambier等人利用RAPD和RT PCR研究镉对斑马鱼的遗传毒性作用。金纳米颗粒的遗传毒性效应也用基于RAPD的方法对斑马鱼暴露于金纳米粒子后进行了评估。

 

神经毒性：由于与有毒物质接触，神经组织受到破坏，导致神经系统的不正常活动，这就是所谓的神经毒性。这些对神经细胞有毒的物质被称为神经毒素。纳米粒子的神经毒性已被早期测定，表明纳米粒子能到达大脑并导致神经变性。在体内和体外实验中发现，燃烧得到的纳米颗粒具有神经毒性，一个C60富勒烯衍生物，已在斑马鱼胚胎中进行了评估，以了解导致剂量限制性毒性水平的神经毒性。

 

生殖毒性：生殖毒性也是纳米颗粒毒性测量的重要参数之一。斑马鱼模型由于繁殖率高，是评价生殖毒性的最佳模型之一。据观察，纳米颗粒影响男性和女性的繁殖力和胎儿发育。Wang等人研究二氧化钛纳米颗粒长期暴露后对斑马鱼生殖功能的影响。他们的研究表明，在暴露于二氧化钛纳米颗粒13周后，斑马鱼卵的总数减少了9.5%。

 

死亡率的评估：急性接触纳米颗粒增加致命疾病的机会和死亡率的增加。Duan等人在实验模型系统中用硅纳米颗粒处理斑马鱼胚胎，观察胚胎死亡率增加。氧化锌是另一种有毒的纳米颗粒，导致斑马鱼的孵化延迟、皮肤溃烂和高死亡率。说明纳米颗粒的形状与死亡率的关系。评价不同形状氧化锌纳米颗粒的毒性作用，对不同形状的氧化锌纳米材料的毒性效应观察发现，ZnO比其他纳米粒子毒性高导致死亡率增加和减少斑马鱼的孵化。

 

对毒性研究斑马鱼模型的缺点：为了评价纳米材料的毒性，斑马鱼模型作为一种体内模型系统被用于各种研究。通过观察斑马鱼的畸形和功能缺陷，评估了这些纳米颗粒的毒性水平。基于纳米材料的毒性试验仍然缺乏。此外，由于斑马鱼的快速发育阶段，很难进行基于胚胎系统的纳米毒性实验。然而，自动化和先进技术有助于斑马鱼胚胎的纳米毒性筛选。一些纳米材料用于治疗目的，如药物递送和抗菌治疗。需要了解这些纳米材料的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）。

 

结论：目前，斑马鱼已成为毒性试验的脊椎动物模型。在德国，斑马鱼胚胎试验被引入作为一个标准化的ISO程序来评价化学品。该法可用于水质测试，评价环境污染物的含量。该模型用于纳米材料的毒理学试验。斑马鱼可能在未来几年内成为用于纳米材料毒理学测试的重要动物模型。