UiO-66金属有机框架纳米颗粒在淡水鱼（Nothobranchius rachovii）体内的蓄积与遗传毒性研究

《Journal of Xenobiotics》：Accumulation and Genotoxicity of UiO-66 Nanoparticles in Freshwater Fish Nothobranchius rachovii

　　

摘要专业翻译 金属有机框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）具有卓越的物理化学性质，使其成为先进药物递送、催化、水净化、气体分离及生物医学应用中极具吸引力的候选材料。因此，在其广泛实际应用之前，了解其对环境和人类健康的影响至关重要。本研究合成并利用XRD、SEM和TEM技术表征了UiO-66纳米颗粒（由苯-1,4-二甲酸连接体构成的Zr6O4(OH)4八面体簇）。首次研究了UiO-66对淡水鱼Nothobranchius rachovii的遗传毒性及蓄积效应。为更深入理解UiO-66纳米颗粒对N. rachovii的影响，研究人员将鱼分别暴露于UiO-66、其有机连接体及锆盐中。通过分析经UiO-66样品、连接体、锆盐处理及未暴露对照组鱼组织中的染色体畸变（Chromosome Aberrations, CAs）、姐妹染色单体交换（Sister Chromatid Exchanges, SCEs）频率、有丝分裂指数及Zr蓄积量，检测了UiO-66所致的遗传毒性风险。

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一、研究背景与意义

金属有机框架（Metal–Organic Frameworks, MOFs）是一类新型多孔晶态材料，凭借独特的物理化学性质，在药物递送、催化、废水处理、气体分离及生物医学等领域展现出广阔的应用前景。其中，UiO-66由[Zr₆O₄(OH)₄]¹²⁺八面体簇与苯-1,4-二甲酸（bdc）配体构筑而成，因其优异的化学和热稳定性、高孔隙率、良好的生物相容性及低毒性而备受关注。纳米尺度的UiO-66在药物递送系统、医学诊断、生物传感、基因治疗及成像等方面具有潜在的生物医学应用价值。

然而，随着UiO-66应用前景的不断拓展，其可能通过废水处理、工业排放及不当处置等途径进入水环境。尽管已有研究报道了纳米MOFs的体外细胞毒性，且毒性效应不仅取决于MOF组成，还与细胞类型密切相关，但关于UiO-66纳米材料遗传毒性的研究极为有限。已有研究表明，锆化合物及含锆纳米颗粒具有遗传毒性效应，例如ZrO₂纳米颗粒可对成纤维细胞造成显著DNA损伤和凋亡效应，氧氯化锆可诱导小鼠骨髓细胞和人外周血淋巴细胞的染色体畸变。但截至目前，文献中尚无关于UiO-66纳米材料潜在遗传毒性的研究报道。因此，系统评估UiO-66的安全性能及其对生态环境的影响，对于其安全、合理应用具有重要的科学意义。

二、研究内容与结论

本研究首次以非洲多年生鳉鱼Nothobranchius rachovii为模型，系统评估了UiO-66纳米颗粒的遗传毒性。该鱼种具有二倍体染色体数少（2n=16）、实验室饲养简便、生命周期短（4–6个月）且前肾组织有丝分裂活性高等优势，便于细胞遗传学分析。研究人员通过腹腔注射方式使鱼暴露于UiO-66、有机连接体（H₂bdc）、锆盐（ZrOCl₂×8H₂O和ZrCl₄）及蒸馏水对照，以染色体畸变（Chromosome Aberrations, CAs）、姐妹染色单体交换（Sister Chromatid Exchanges, SCEs）频率及有丝分裂指数（Mitotic Index, MI）为终点指标，评价其遗传毒性，并检测了锆（Zr）在鱼体各器官中的蓄积情况。

研究结果表明，UiO-66纳米颗粒未对N. rachovii前肾细胞产生明显的致染色体畸变效应，也未显著改变有丝分裂指数。然而，SCE分析显示所有测试化合物均显著增加了SCE频率，提示UiO-66可能具有弱遗传毒性潜力。在生物蓄积方面，Zr在鱼体各器官中的分布顺序为：前肾 < 肝脏 < 脾脏 < 胃肠道，其中胃肠道中Zr蓄积量最高，而脑和性腺中的Zr含量低于检测限。该研究首次报道了UiO-66材料的遗传毒性效应，为评估其生物医学应用的安全性提供了重要的实验依据。

三、主要技术方法

研究人员合成了UiO-66样品，并采用粉末X射线衍射（PXRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对其进行了结构和形貌表征。体内遗传毒性评价采用染色体畸变（CAs）分析和姐妹染色单体交换（SCEs）检测，结合有丝分裂指数（MI）评估。实验选用非洲鳉鱼Nothobranchius rachovii（2.5月龄，雌雄各4尾），通过腹腔注射25 μL测试物（Zr⁴⁺浓度约3 mg/L），暴露96小时。元素分析采用全反射X射线荧光光谱法（TXRF），依据ISO/TS 18507:2015指南，对胃肠道、肝脏、脾脏、前肾等组织中的Zr含量进行定量检测。统计分析采用t检验、双因素方差分析（2-way ANOVA）及Mann–Whitney U检验。

四、研究结果

1. UiO-66纳米材料表征

合成的UiO-66样品为具有立方对称性（结构类型Fm-3m）的纯相晶态结构，颗粒平均尺寸为78 ± 23 nm，形状为畸变球形，八面体面几乎不可见，且颗粒倾向于形成较大的团聚体。XRD图谱在2–4 2Θ区域出现宽峰，表明材料中存在丰富的介孔结构。

2. 毒性测试

染色体畸变分析： UiO-66样品和ZrCl₄处理组的染色体畸变频率与对照组无显著差异，表明UiO-66纳米颗粒未对N. rachovii前肾细胞产生致染色体畸变（clastogenic）效应。相比之下，氧氯化锆（ZrOCl₂）表现出较高的毒性效应，该效应主要归因于阴离子（氧氯化物）的作用，与小鼠骨髓细胞中的研究结果一致。

姐妹染色单体交换与有丝分裂指数分析： UiO-66和锆离子未显著改变有丝分裂指数（MI）。然而，所有测试化合物均显著增加了SCE频率，表明其具有遗传毒性效应，可能反映基因组不稳定的潜在风险。CA、MI与SCE结果之间的差异可能归因于各方法灵敏度不同，SCE计数方法的分辨率显著高于染色体畸变计数方法。主要畸变类型为染色单体和染色体断裂。

锆的生物蓄积： 腹腔注射UiO-66后，Zr在鱼体各器官中的分布顺序为：前肾 < 肝脏 < 脾脏 < 胃肠道，胃肠道中Zr蓄积量最高。脑和性腺中的Zr含量低于检测限。UiO-66与锆盐在器官中的分布模式相似，仅胃肠道存在轻微差异。该结果与近期对大型蚤（Daphnia magna）的体内研究结果一致。

五、讨论与结论

讨论部分总结： UiO-66虽具有显著的结构稳定性和较强的金属-配体键合，在广泛pH范围、多种溶剂及生理条件下降解速率较慢，但这种结构稳定性也引发了关于其慢性毒性和继发毒性风险的疑问。研究表明，UiO-66对亲电阳离子物种和生物因素敏感，在消化过程中，对苯二甲酸连接体可能被置换或降解，导致Zr节点在肠道内容物和微生物组的复杂基质中重新沉淀。稳定的UiO-66在环境修复应用可能导致锆离子在环境中长期存留，进而随时间在水生物种中产生潜在生物蓄积。此外，近期研究表明，UiO-66在修复常用浓度下可能导致藻类生理损伤。因此，系统研究UiO-66的安全性能及其环境稳定性十分必要。

结论翻译： UiO-66通常具有高度稳定性和实验条件下轻微降解的特点。其生物相容性和低毒性增强了其作为连接先进医学和环境修复的双重应用平台的潜力。本研究首次报道了UiO-66材料的遗传毒性效应。UiO-66纳米颗粒未引起染色体畸变和有丝分裂指数的改变，但SCE结果的升高提示UiO-66纳米颗粒可能具有弱遗传毒性潜力，其毒性效应可能与实验条件下的结构缺陷、降解及活体生物转化有关。根据所得结果，UiO-66在细胞遗传学水平上对鱼类前肾细胞未表现出显著风险。Zr在鱼体组织器官中的分布表明，腹腔注射后锆可在鱼体内转移和蓄积。综合本研究结果及近期实验数据，进一步研究UiO-66在真实环境基质中的长期环境行为和毒性至关重要，未来研究应重点关注生物体水平的生物转化、长期效应及不同物种多层次的毒性评价。