高影響力綜述

納米材料毒性測試21世紀(jì)：預(yù)測性毒理學(xué)方法和高通量篩選的使用概論工程納米材料（ENMs）的生產(chǎn)（能源管理體系）是材料設(shè)計(jì)和新的消費(fèi)產(chǎn)品開發(fā)的一個(gè)科學(xué)的突破。納米技術(shù)的成功實(shí)施是全球重要的經(jīng)濟(jì)增長，但是我們還需要考慮由于可能產(chǎn)生有害生物效果的新的物理化學(xué)性質(zhì)所帶來的可能的環(huán)境健康和安全（EHS）的影響。為了評(píng)估工程納米材料的風(fēng)險(xiǎn)，需要可靠和可再現(xiàn)的篩選方法，以測試基本材料以及納米產(chǎn)品。需要一個(gè)能夠探討在納米/生物界潛在無數(shù)的生物物理化學(xué)間的相互作用的平臺(tái)，以響應(yīng)我們已經(jīng)開發(fā)出的一種預(yù)測性毒理學(xué)方法。我們定義了一個(gè)預(yù)測毒理學(xué)方法，機(jī)制基礎(chǔ)的使用在體外進(jìn)行高通量篩選對(duì)可能導(dǎo)致在體內(nèi)病理或者疾病產(chǎn)生的能源管理的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測。在體內(nèi)的結(jié)果是用來驗(yàn)證和提高體外高通量篩選（HTS）以及建立允許危險(xiǎn)排序和通過一個(gè)在體內(nèi)外測試的適當(dāng)組合建模的構(gòu)效關(guān)系（SARS）。這個(gè)概念與美國國家科學(xué)院的具有里程碑意義的2007年的“21世紀(jì)毒性試驗(yàn)：遠(yuǎn)景和戰(zhàn)略”報(bào)告是一致的，它主張通過從定性的描述動(dòng)物試驗(yàn)過渡到定量的機(jī)械以及使用高通量的方法為基礎(chǔ)途徑的在人細(xì)胞或者細(xì)胞系進(jìn)行毒性試驗(yàn)以增加毒性測試的效率。因此，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)用高通量篩選方法去篩選組成和組合的工程納米材料庫以開發(fā)可用于預(yù)測體內(nèi)損傷結(jié)果的危險(xiǎn)排序和構(gòu)效關(guān)系。這個(gè)預(yù)測方法允許在體外進(jìn)行大量的篩選分析和高容量數(shù)據(jù)生成，但關(guān)鍵是驗(yàn)證研究在動(dòng)物或整個(gè)生物體內(nèi)進(jìn)行是被限制的。人類或環(huán)境暴露人群的風(fēng)險(xiǎn)減少可以使我們專注于限制或避免引發(fā)這些毒性反應(yīng)和實(shí)施有潛在危險(xiǎn)的工程納米材料更安全設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)。在這個(gè)報(bào)告中，我們通過組成工程納米材料庫，高通量篩選檢測基礎(chǔ)機(jī)理，危險(xiǎn)等級(jí)和納米構(gòu)效關(guān)系發(fā)展的使用回顧了建立預(yù)測毒性學(xué)模式以評(píng)估吸入物和環(huán)境毒理學(xué)方案所要求的工具。我們將討論已經(jīng)出現(xiàn)的基于特定工程納米材料屬性的主要損傷模式以及描述基于溶解化學(xué)表征為毒性的主要預(yù)測因子的納米氧化鋅的安全設(shè)計(jì)。介紹有相當(dāng)多的爭論是關(guān)于如何繼續(xù)進(jìn)行工程納米材料毒性測試，與圍繞毒理學(xué)的端點(diǎn)去評(píng)估的主要討論點(diǎn)，篩選工作的嚴(yán)謹(jǐn)性，體外（細(xì)胞和分子）與體內(nèi)（動(dòng)物或整個(gè)有機(jī)體）測試的正確平衡，工作的成本，以及誰應(yīng)該為監(jiān)督納米環(huán)境健康和安全管理負(fù)責(zé)。因此，需要一個(gè)平臺(tái)來研究在納米/生物界潛在的巨大的生物物理化學(xué)間的相互作用，這個(gè)由加州大學(xué)納米技術(shù)環(huán)境影響中心（UCCEIN）以及加州大學(xué)洛杉磯分校納米生物學(xué)和預(yù)測毒理學(xué)中心（UCLACNPT）實(shí)施的方法是用于分別評(píng)估可預(yù)測的環(huán)境和肺潛在危害分子與細(xì)胞損傷機(jī)制。通過高通量篩選途徑發(fā)張預(yù)測毒理學(xué)的關(guān)鍵成分在缺乏用于納米安全分析的標(biāo)準(zhǔn)參考材料的情況下，我們實(shí)現(xiàn)了我們自己的內(nèi)部合成和獲得成分和組合工程納米材料庫高數(shù)據(jù)生成的內(nèi)容?；瘜W(xué)成分很重要,因?yàn)樗鼪Q定了表面化學(xué)、表面能、氧化還原狀態(tài),光活化的潛力,表面缺陷、電荷和定義“表面反應(yīng)性”的表面基團(tuán)。材料化學(xué)和表面涂層也確定潤濕性,懸浮穩(wěn)定性、溶解性、有毒離子脫落和持久性危害產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素。盡管納米尺寸和相應(yīng)的增加表面積有助于表面反應(yīng)活性，其他物理化學(xué)性質(zhì)（如尺寸、形狀、聚集狀態(tài),晶體結(jié)構(gòu)，表面電荷和表面涂層）是表面反應(yīng)活性和組成的重要調(diào)節(jié)因素。因此，工程納米材料的毒性可以歸因于相對(duì)的非特異性生物反應(yīng)和材料的大小、形狀和生物持久性，但也可能是由發(fā)生在一個(gè)反應(yīng)表面、配體或者影響特定毒理學(xué)途徑的有毒離子的釋放的特殊生物相互作用造成的。鑒于這種復(fù)雜性，我們已經(jīng)獲得了具有良好表征的組合庫，其中包括金屬、金屬氧化物（MOx）、碳素納米管（CNTs）以及不同的二氧化硅以獲得可用于高通量篩選、危害等級(jí)和動(dòng)物驗(yàn)證研究的機(jī)械信息。此外，由通過不同材料組成對(duì)潛在危害屬性的識(shí)別，我們還介紹了工程納米材料組合庫中被系統(tǒng)地改變成調(diào)查定量構(gòu)效關(guān)系的特有的屬性。為了完成具有良好表征的納米材料庫的第一關(guān)鍵成分，我們最初人工合成了一個(gè)二氧化鈦、二氧化鈰和納米氧化鋅的物理化學(xué)性質(zhì)在單參數(shù)毒理學(xué)篩選的成就向細(xì)胞毒性、氧自由基的產(chǎn)生或者細(xì)胞炎癥反應(yīng)看齊之前就被嚴(yán)格表征的小型金屬氧化物庫?？偟膩碚f，這些試驗(yàn)證明了在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，維持高水平毒性的是氧化鋅而不是二氧化鈦和二氧化鈰。這種毒性是由于納米氧化鋅的溶解導(dǎo)致有毒的Zn2+的釋放、產(chǎn)生活性氧類（ROS）的能力、線粒體的擾動(dòng)、白介素-8、白介素-6、α腦瘤壞死因子的產(chǎn)生和細(xì)胞毒性的誘發(fā)造成的。這些細(xì)胞損傷反應(yīng)被概括為納米氧化鋅在嚙齒動(dòng)物的肺部的急性氧化和炎癥作用。此外，金屬煙熱、焊工職業(yè)病的發(fā)展期間也是在人群中引發(fā)同樣損傷的途徑。在氧化應(yīng)激作用的參與的基礎(chǔ)上，作為一個(gè)工程納米材料毒性的關(guān)鍵機(jī)制，我們進(jìn)行了一種多參數(shù)的高通量篩選試驗(yàn)來監(jiān)測金屬氧化物的致死和亞致死的氧化應(yīng)激反應(yīng)。這種將在后面進(jìn)行更詳細(xì)討論的試驗(yàn)允許我們增加可篩選物質(zhì)的數(shù)量，包括產(chǎn)生活性氧類繼發(fā)傳入神經(jīng)損傷機(jī)制材料的毒理學(xué)評(píng)估的性能。也允許我們?yōu)榻饘俸徒饘傺趸锛{米粒子建立納米構(gòu)效關(guān)系以及對(duì)組合庫的介紹以評(píng)估顆粒尺寸、溶解度、形狀、長寬比和物質(zhì)的孔隙率。類似的方法被應(yīng)用于建立一種用于纖維化作用的多壁碳納米管（MWCNTs）的預(yù)測毒理學(xué)范式，從材料（如購買的）著手，然后導(dǎo)入純化的羧基官能化管。我們還開發(fā)了組成和基本屬性庫以研究二氧化硅和納米銀的毒性。二氧化硅的工程納米材料危害是由教授Brinker和Zink在這個(gè)特殊版本中的一個(gè)獨(dú)立貢獻(xiàn)中討論的。對(duì)于預(yù)測毒理學(xué)方法的第二個(gè)基礎(chǔ)建設(shè)要求是合理的高通量篩選方法的開發(fā)以定量評(píng)估在體內(nèi)預(yù)測的不良后果的劑量和時(shí)間依賴細(xì)胞損傷反應(yīng)。生物、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和毒理學(xué)的研究已經(jīng)表明一個(gè)系統(tǒng)生物方法是如何可以用于高通量篩選的。雖然對(duì)有毒物質(zhì)（如化學(xué)品）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的現(xiàn)有方法非常依賴于在動(dòng)物模型中極端不利于健康的影響，一個(gè)不良健康后果的說明并不會(huì)為預(yù)測毒理學(xué)建模的性能提供一個(gè)堅(jiān)決基于科學(xué)的平臺(tái)。雖然這是合理的，新的篩選模式在可以用于高通量篩選開發(fā)之前能夠通過蛋白質(zhì)組學(xué)或者基礎(chǔ)基因組和基礎(chǔ)途徑方法被發(fā)現(xiàn)。目前最快速的平臺(tái)是可鏈接到疾病的發(fā)病機(jī)理的機(jī)械細(xì)胞損傷反應(yīng)的應(yīng)用。這些毒理學(xué)途徑的定量評(píng)估允許高通量篩選用于體內(nèi)預(yù)測決策，從而限制動(dòng)物作為主要測試平臺(tái)來使用。雖然在體外到體內(nèi)相比較的預(yù)測潛力仍然處于起步階段，大量的細(xì)胞損傷反應(yīng)機(jī)制已經(jīng)成形，這可以定量實(shí)施以評(píng)估危險(xiǎn)性工程納米材料屬性。一些毒理學(xué)機(jī)制讓我們?yōu)槎纠韺W(xué)建模建立我們第一代納米構(gòu)效關(guān)系。雖然到目前為止大部分納米構(gòu)效關(guān)系都是基于已知的毒理學(xué)途徑，諸如蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)的發(fā)現(xiàn)平臺(tái)將很可能會(huì)在未來提供新的篩選模式。第三個(gè)要考慮的關(guān)鍵因素即機(jī)械損傷途徑的使用，其中一個(gè)最好的已經(jīng)在我們的研究中發(fā)現(xiàn)的高通量篩選例子是篩選生物活性氧類產(chǎn)品和對(duì)金屬氧化物納米粒子、電子/空穴對(duì)代、表面缺陷、化學(xué)溶解和釋放有毒金屬離子等能帶的氧化應(yīng)激反應(yīng)。我們用一種兼容熒光染料混合物去開發(fā)一種篩選細(xì)胞中致死和亞致死氧化損傷反應(yīng)的功能接系列的熒光顯微基礎(chǔ)方法。這種由384孔板機(jī)械處理進(jìn)行的多參數(shù)高通量篩選檢測同時(shí)細(xì)胞總數(shù)和細(xì)胞核的大小、線粒體膜電位、細(xì)胞內(nèi)鈣離子通量和衰亡細(xì)胞膜通透性增加進(jìn)行評(píng)定。這些細(xì)胞反應(yīng)之間的功能聯(lián)系表明檢測還能夠評(píng)估那些表面膜損傷或者細(xì)胞器損傷比產(chǎn)生活性氧類更重要的工程納米材料。雖然在單個(gè)參數(shù)分析中可以獲得類似的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（例如MTS、LDT釋放或細(xì)胞ATP含量），大批量、與時(shí)間相關(guān)的高通量篩選數(shù)據(jù)集使我們可以開發(fā)能夠建立納米構(gòu)效關(guān)系的機(jī)器學(xué)習(xí)及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)工具。除了氧化應(yīng)激，其他損傷機(jī)制出現(xiàn)在高通量篩選，包括長寬比材料炎性體激活、細(xì)胞因子和趨化因子的生產(chǎn)、光活化、膜損傷（針對(duì)陽離子或活性材料表面）、促纖維化反應(yīng)、報(bào)道基因通過氧化應(yīng)激信號(hào)通路或者DNA損傷的轉(zhuǎn)錄激活、孵化酶的抑制作用和斑馬魚胚胎的轉(zhuǎn)基因熱休克蛋白的表達(dá)。上述的所有反應(yīng)可以通過例如熒光顯微鏡、發(fā)光基礎(chǔ)記錄基因活性、膜溶解檢測復(fù)用因子檢測、明場顯微鏡讀出程序發(fā)展成自動(dòng)化的高通量篩選。除了哺乳動(dòng)物細(xì)胞的篩選，我們也實(shí)現(xiàn)了在魚鰓細(xì)胞系、細(xì)菌、酵母和整個(gè)有機(jī)體系的高通量篩選。斑馬魚篩選平臺(tái)將在稍后討論。預(yù)測模式的第四個(gè)要求是包括在硅片工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、機(jī)器學(xué)習(xí)和高通量篩選數(shù)據(jù)建模的數(shù)據(jù)分析框架的開發(fā)。因?yàn)檫@個(gè)專業(yè)領(lǐng)域會(huì)由Cohen和Rallo教授在一個(gè)隨身手稿中處理，可以這么說，應(yīng)為高通量篩選數(shù)據(jù)時(shí)高維的，我們?yōu)榱艘曈X上的演繹，用降維（或提?。┑姆椒ò褦?shù)據(jù)投影到低維特征空間。一個(gè)直觀的方法是聚集分析以提取相似模式和根據(jù)同源的生物反應(yīng)或者與理化性質(zhì)的聯(lián)系進(jìn)行工程納米材料歸類。熱映射聚類在高通量篩選數(shù)據(jù)分析中非常重要。熱映射提供便于識(shí)別大數(shù)據(jù)集的相似模式數(shù)據(jù)的有序表達(dá)。有一種互補(bǔ)的方法是使用能夠在空間投影保持在原特征空間的距離測量的拓?fù)涔δ芊椒?。自組織映射（SOM）算法為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提供了一種有價(jià)值的計(jì)算工具。與熱映射相比，自組織映射的預(yù)測通過拓?fù)涞靥峁┹斎肟臻g的有序表達(dá)促進(jìn)發(fā)現(xiàn)可變因素之間的嵌入關(guān)系。數(shù)據(jù)的聚類可以通過顯示聚類中心（距離矩陣）之間的距離或者通過投影特征到不同的使其參數(shù)更詳細(xì)評(píng)價(jià)的平面組件在自組織映射網(wǎng)格上實(shí)現(xiàn)可視化。構(gòu)效關(guān)系已被定義為一個(gè)化學(xué)品的結(jié)構(gòu)或性質(zhì)及其生物活性相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型。相對(duì)于構(gòu)效關(guān)系可以根據(jù)理化性質(zhì)和毒理學(xué)龐大數(shù)據(jù)庫的有效性發(fā)展的化學(xué)世界，納米構(gòu)效關(guān)系的發(fā)展需要一個(gè)不同的更要求需要考慮工程納米材料的三維結(jié)構(gòu)的龐大數(shù)據(jù)庫的方法。我們的高通量篩選檢測現(xiàn)在在一個(gè)多元的情況下（例如濃度、曝光時(shí)間以及亞致死和致死的生物反應(yīng)）提供的數(shù)據(jù)，使我們能夠開發(fā)大多都是依賴于納米顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)的第一代納米構(gòu)效關(guān)系。利用預(yù)測毒理學(xué)了解工程納米材料對(duì)肺部的傷害吸入毒理學(xué)是由于有毒煙霧、氣體、顆粒和纖維的吸入造成的肺部損傷的研究。肺是遵循在工程納米材料的合成和處理期間煙霧化的職業(yè)暴露中的一個(gè)很重要的靶器官。在肺部的工程納米材料毒性研究在特別具有挑戰(zhàn)性的角度來看在模擬現(xiàn)實(shí)生活的吸入暴露是困難和昂貴的。盡管有證據(jù)證明,對(duì)于納米ZnO和石英顆粒附帶的職業(yè)暴露可分別在人類中引起金屬煙熱和肺纖維化，我們對(duì)如何執(zhí)行一個(gè)工程納米材料的大系列肺部危害等級(jí)沒有一個(gè)全面的了解。此外，為每個(gè)新材料進(jìn)行霧化吸入的勞動(dòng)強(qiáng)度和高成本在邏輯上市不可行的。因此，吸入毒理學(xué)可以從預(yù)測毒理學(xué)中受益，為此我們提出兩種方案。第一個(gè)例子是被廣泛應(yīng)用于化妝品、防曬劑、催化劑、紡織品和太陽能電池的一種金屬納米粒子預(yù)測模式的發(fā)展。許多這些材料產(chǎn)生的粉末是可吸入和在溶解狀態(tài)由于氧化還原活性或者有毒的金屬離子流造成危險(xiǎn)而為人所知的。在三種金屬氧化物納米粒子的初步探索中，納米ZnO因其由于也能在支氣管上皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的的細(xì)胞因子和趨化因子一個(gè)特征系列的溶解和誘發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)烈肺部炎癥的能力而于納米TiO2和納米CeO2相距甚遠(yuǎn)。從機(jī)械角度看，細(xì)胞內(nèi)Zn2+的釋放誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，這是多參數(shù)分析的基礎(chǔ)。肺部以及全身溶解氧化鋅顆粒的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)可以通過使用血紅素加氧酶-1（HO-1）基因啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)基因表達(dá)連接到熒光素酶報(bào)告在活體小鼠中成像。除了相對(duì)較少的金屬氧化物，大多數(shù)材料的肺部潛在危害還沒有被系統(tǒng)地探討。介紹了多參數(shù)高通量篩選測定之后，現(xiàn)在就是有可能為體內(nèi)危害排名和預(yù)測決策發(fā)展構(gòu)效關(guān)系的時(shí)候。作為一個(gè)例子，我們使用了邏輯回歸模型來開發(fā)一種評(píng)估九種基于多參數(shù)數(shù)據(jù)的毒性或無毒性的金屬氧化物納米粒子的納米構(gòu)效關(guān)系能力，因此，在支氣管上皮細(xì)胞濃度為0.375-200μg/mL的氧化鋁、二氧化硅、四氧化三鐵、氧化鈰、四氧化三鈷、二氧化鈦、氧化鋅、氧化銅以及三氧化鎢的納米顆粒的篩選,每7小時(shí)和24小時(shí)，根據(jù)14種材料反應(yīng)描述中的4種達(dá)到100%分類精度建立一個(gè)決策。根據(jù)這種分類，以分離金屬氧化物的原子（霧化能力）的焓，金屬的元素周期表的號(hào)碼，納米顆粒的體積（在溶液中）和一次粒徑被認(rèn)為是準(zhǔn)確的描述粒子的產(chǎn)生有毒的氧化應(yīng)激能力。誘導(dǎo)金屬氧化物的氧化應(yīng)激預(yù)測在肺部有發(fā)色炎癥的潛力。最近，有人提出這樣一個(gè)概念框架，金屬氧化物的傳導(dǎo)（Ec）和價(jià)帶能量（Ev）可以是發(fā)展一個(gè)解釋了當(dāng)這些粒子接觸到細(xì)胞時(shí)氧化應(yīng)激反應(yīng)的產(chǎn)生的理論框架。一種可能是，隨著細(xì)胞生物氧化還原電位的Ec和Ev的重疊可以構(gòu)成電子轉(zhuǎn)移，這預(yù)示著金屬氧化物的氧化應(yīng)激潛力。通過一系列保持電位在-4.12到-4.84Ev的氧化還原對(duì)使細(xì)胞的氧化還原電位在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)下。氧化或還原性物質(zhì)可以通過增加活性氧的產(chǎn)生和/或減少抗氧化水平干擾這種氧化還原平衡。即刻響應(yīng)觸發(fā)一層Nrf2介導(dǎo)的在氧化應(yīng)激的最低級(jí)別（1級(jí)）恢復(fù)氧化還原失衡的抗氧化防御層。如果這種防御失敗，氧化應(yīng)激的升級(jí)可以轉(zhuǎn)移激活促炎癥信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的細(xì)胞反應(yīng)（2級(jí)）或線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞毒性（3級(jí)）。我們假設(shè)帶隙能量對(duì)生物氧化還原電位為預(yù)測金屬氧化物潛在危害構(gòu)成一個(gè)參數(shù)的關(guān)系，在這個(gè)基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了一種為金屬氧化物用細(xì)胞氧化還原電位提出理論的重疊和實(shí)驗(yàn)測定Ec和Ev值的納米構(gòu)效關(guān)系。在最初用24中金屬氧化物納米粒子的建模練習(xí)，我們已經(jīng)能夠表明，5/7種顆粒顯示帶隙重疊，這是它們在多參數(shù)檢測產(chǎn)生有毒氧化應(yīng)激能力的一個(gè)準(zhǔn)確預(yù)測。此外，我們的初步結(jié)果表明，有帶隙重疊和產(chǎn)生氧化應(yīng)激能力的材料（例如Co3O4、Cr2O3、Mn2O3、CoO）相比于那些不顯示帶隙重疊的材料也會(huì)誘導(dǎo)高水平的肺部急性炎癥。我們預(yù)計(jì)，這將導(dǎo)致將使我們把金屬氧化物納米顆粒分類成低級(jí)的、中級(jí)的或者高級(jí)的肺部潛在毒性的納米構(gòu)效關(guān)系。然而，我們需要說明的是，為什么具有帶隙重疊但沒有高通量篩選毒性TiO2以及不顯示帶隙重疊但現(xiàn)實(shí)毒性的ZnO不遵循基準(zhǔn)假設(shè)。它可能需要引入溶劑化能和光活化動(dòng)力以制定一個(gè)更完整的畫面。他為毒理學(xué)研究的第二個(gè)預(yù)測毒理學(xué)范式是開發(fā)了多壁碳納米管（MWCNTs）。一些管特性通過單壁和多壁碳納米管確定慢性肉芽腫性炎癥的誘導(dǎo)、纖維化、細(xì)胞毒性、遺傳毒性和肺部的氧化應(yīng)激。這包括諸如管或煙囪的長度、疏水性團(tuán)聚狀態(tài)、金屬雜質(zhì)、耐久性和表面化學(xué)的性能?？偟膩碚f，這些性能是在構(gòu)效關(guān)系發(fā)展中值得隔離研究的。在與肺部纖維化可能相關(guān)的組織培養(yǎng)細(xì)胞中研究促炎反應(yīng)定量擴(kuò)散方法的發(fā)展一個(gè)重大的進(jìn)展。這種傳播是以牛血清白蛋白（BSA）完成和二棕櫚酰磷脂酰膽堿（DPPC）以定量的方式作為替代肺部可擴(kuò)散多比納米碳管的襯里流體元件能力。一個(gè)定量的擴(kuò)散指數(shù)的發(fā)展使我們執(zhí)行一系列的納米碳管所導(dǎo)致的預(yù)測潛在纖維化和肺部纖維化的細(xì)胞分析。我們最近證明，原材料的分散狀態(tài)（“制備”或者AP）、純化（PD）和羧基（COOH）的多比納米碳管在確定TGF-β1，PDGF-AA和IL-1β在體內(nèi)外的生產(chǎn)發(fā)揮重要的作用。這些生物標(biāo)志物協(xié)同作用在細(xì)胞通訊和膠原沉積在肺部。上皮過度到間質(zhì)細(xì)胞和親纖維表型，在合作和巨噬細(xì)胞IL-1β的生產(chǎn)的影響下，在各種疾病狀態(tài)中在膠原沉積中發(fā)揮著作用。多壁納米碳管分散液的作用在影響分散狀態(tài)和純化的多壁碳納米管反應(yīng)中是最為顯著的，這是在水性緩沖液壁親水的羧基多壁碳納米管更疏水性和不穩(wěn)定性的。良好分散的分散狀態(tài)和純化的多壁碳納米管容易采取了上皮細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)胞（AM）和誘導(dǎo)壁非分散管更加突出的TGF-β1和IL-1β在體外的產(chǎn)生，以及TGF-β1，IL-1β和PDGF-AA在體內(nèi)的產(chǎn)生。在體內(nèi)和體外之間的的生物標(biāo)記物的良好的相關(guān)性證實(shí)了它們用語預(yù)測多壁納米碳管的肺部纖維化潛力的效用。因?yàn)镮L-1β的生產(chǎn)是機(jī)械地依賴于NALP3炎性裂解親的IL-1β的組件，這為提供基于疏水性、懸浮液穩(wěn)定性國家級(jí)純度和碳納米管的表面功能的毒理學(xué)預(yù)測的納米構(gòu)效關(guān)系的高通量發(fā)現(xiàn)和發(fā)展提出了一個(gè)堅(jiān)固的機(jī)械范例。我們的初步數(shù)據(jù)表明，由BSA加DPPC引起的管擴(kuò)散增強(qiáng)了細(xì)胞攝取和溶酶體損傷，導(dǎo)致炎性激活。溶酶體和炎性之間的聯(lián)系可以為預(yù)測其他包括金屬氧化物在內(nèi)的長寬比材料的肺纖維化潛力構(gòu)成一個(gè)最終共同途徑。我們正在為預(yù)測碳納米管、金屬氧化物納米線和銀納米線（進(jìn)行中）的肺潛在危險(xiǎn)性的細(xì)胞因子和生長因子開發(fā)多重高通量測定。預(yù)測毒理學(xué)的使用去了解環(huán)境的潛在危害雖然納米技術(shù)曾用于環(huán)境凈化，但一些工程納米材料可能造成環(huán)境的潛在危害。加州大學(xué)納米技術(shù)環(huán)境影響中心的使命是是開發(fā)一個(gè)基礎(chǔ)廣泛的預(yù)測科學(xué)模型，以了解工程納米材料的物理化學(xué)性質(zhì)是如何確定材料的擴(kuò)散到環(huán)境、生物蓄積、營養(yǎng)轉(zhuǎn)移和細(xì)胞、機(jī)體以及生態(tài)系統(tǒng)水平中潛在危險(xiǎn)后果的催化。根據(jù)我們的預(yù)測毒理學(xué)方法，這種多學(xué)科中心利用良好特征成分和組合的工程納米材料庫根據(jù)納米生物界定量的物理生物化學(xué)相互作用來研究這些材料的潛在性在細(xì)胞、細(xì)菌和微生物環(huán)境中以接觸毒性途徑。如果可能的話，我們用高通量方法來為主要工程納米材料在不同營養(yǎng)水平的淡水、海水和陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響的制定預(yù)測建立構(gòu)效關(guān)系。在硅片的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和決策工具涉及的數(shù)據(jù)集成提供風(fēng)險(xiǎn)排名、曝光建模風(fēng)險(xiǎn)分析和定量納米構(gòu)效關(guān)系建設(shè)。在魚類的毒性測試是生態(tài)毒理學(xué)公認(rèn)的金標(biāo)準(zhǔn)。在人類已被用于生物化學(xué)和分子疾病機(jī)制建模的斑馬魚對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一種很有前途的模型，包括工程納米材料的毒理學(xué)評(píng)估。由于胚胎的透明度和良好的特征發(fā)育階段，斑馬魚提供了一個(gè)發(fā)展高內(nèi)涵篩選的絕佳機(jī)會(huì)。因此，我們已經(jīng)開發(fā)了一種高通量篩選方法以評(píng)估納米ZnO陰影的干擾。納米ZnO溶液干擾孵化酶、在被Zn2+結(jié)扎的活性中心中包含三個(gè)組氨酸的ZHE1。對(duì)于不同的金屬，這構(gòu)成一個(gè)控制金屬蛋白酶分級(jí)的親和力連接系列，順序如下：Mn(II)<Fe(II)<Co(II)<Ni(II)<Cu(II)>Zn(II)。因此，我們用斑馬魚來開發(fā)一種說明金屬和金屬氧化物納米顆粒庫孵化干擾的預(yù)測毒理學(xué)范例。初步研究表明，在我們的多參數(shù)高通量檢測和斑馬魚胚胎的毒理學(xué)結(jié)果的危險(xiǎn)排名之間存在良好的相關(guān)性。唯一例外的是納米Ag，這顯然在胚胎比哺乳動(dòng)物細(xì)胞中毒性更大，這表明納米Ag易感性存在物種差異。此外，在金屬氧化物納米顆粒（例如CuO、ZnO和NiO）的孵化干擾下可以通過二乙三胺五乙酸（DTPA）逆轉(zhuǎn)，這螯合劑并沒有扭轉(zhuǎn)納米Ag的影響。納米Ag誘導(dǎo)形態(tài)學(xué)異常（例如心包水腫、彎曲刺和和尾部畸形）的頻率高,不能觀察過渡金屬氧化物。這些數(shù)據(jù)表明Ag和過渡金屬的行動(dòng)機(jī)制是不同的。雖然我們懷疑納米Ag孵化干擾時(shí)繼發(fā)于發(fā)展途徑的影響，過渡金屬似乎直接靶向ZHE1。我們已經(jīng)產(chǎn)生重組ZHE1酶用可切割襯底來執(zhí)行非生物測定法；我們希望以此來建立一個(gè)可以用來預(yù)測在斑馬魚胚胎中預(yù)測金屬氧化物毒性的構(gòu)效關(guān)系。在上述材料的毒性篩選中，有必要在解剖顯微鏡下對(duì)每個(gè)胚胎執(zhí)行目視檢查。這種方法是勞動(dòng)密集的，并限制了觀察和可以獲得的統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)量。因此，我們開發(fā)了一種高通量篩選方法，它利用挑選板機(jī)器加快在96孔板胚胎放置以增加觀測值的數(shù)量。此外，我們實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)高含量平臺(tái)進(jìn)行圖像采集，允許數(shù)據(jù)的追溯分析和評(píng)分。首先，這些平臺(tái)采用亮場圖像分析，在胚胎和幼蟲中捕捉表型和發(fā)育異常的能力。第二，基于熒光的平臺(tái)，在轉(zhuǎn)基因動(dòng)物中捕捉報(bào)告基因的表達(dá)，包括應(yīng)激反應(yīng)，如熱休克蛋白（HSP）的表達(dá)，使用熱休克蛋白70啟動(dòng)因子融合到綠色熒光蛋白報(bào)告。我們在UCCEIN和UCLACNPT的合作者還開發(fā)了一個(gè)允許基于向量描述的圖像快速得分的表型識(shí)別系統(tǒng)。本技術(shù)革新可在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中高達(dá)24種金屬氧化物進(jìn)行高通量篩選，我們利用這些數(shù)據(jù)連同電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS）的分析和ZHE1測定的重組，為基于金屬周期性和溶解特性的孵化干擾開發(fā)一個(gè)納米構(gòu)效關(guān)系。這一創(chuàng)新將用材料證明毒理效應(yīng)使材料的綜合劑量反應(yīng)分析和環(huán)境暴露水平的能力推斷結(jié)果。有趣的是，HSP70的誘導(dǎo)：在轉(zhuǎn)基因斑馬魚幼體的表達(dá)需要一個(gè)納米CuO和納米ZnO的日志倍高濃度比陰影干擾劑量。為納米Ag毒性研究毒性差異，我們引入了虹鱒魚鰓上皮細(xì)胞株（RTW1），對(duì)納米Ag、板材和電線執(zhí)行的氧化應(yīng)激反應(yīng)的比較多參數(shù)高通量篩選分析。我們比較的結(jié)果得出在斑馬魚胚胎的毒性結(jié)果。納米Ag顯然在RT-W1哺乳動(dòng)物上皮細(xì)胞中更具毒性。有趣的是，納米Ag片在RTW1中執(zhí)行一個(gè)多參數(shù)高通量篩選檢測時(shí)均大大高于秋天和電線的毒性。同樣的趨勢在斑馬魚胚胎中觀察研究胚胎殺傷力和孵化干擾。雖然在細(xì)胞和胚胎中的Ag離子脫落和生物利用度可以解釋Ag球的效果，納米片的增加毒性是依賴于細(xì)胞和胚胎的直接接觸。為了解釋Ag納米片的高表面反應(yīng)性，高分辨透射電子顯微鏡（TEM）證實(shí)了堆垛層錯(cuò)和板表面的點(diǎn)缺陷存在，這在Ag納米球上是不存在的。以半胱氨酸作表面涂層可降低表面反應(yīng)性，減少細(xì)胞和胚胎毒性。這項(xiàng)研究表明了晶體缺陷在除了既定的Ag納米球毒性中Ag離子釋放的納米顆粒中的重要性。體外和體內(nèi)之間毒性評(píng)估的良好相關(guān)性說明了魚細(xì)胞系連同斑馬魚胚胎發(fā)展的預(yù)測環(huán)境范例的效用。一種工程納米材料的預(yù)測