Pb-PNPs 影响人类视网膜发育的探秘之旅：机制与减毒策略

为探究 Pb-PNPs 对人类视网膜发育的影响，中国科学院干细胞库研究人员以 hEROs 为模型开展研究，发现 CsPbBr?纳米颗粒影响视网膜发育，且 SiO?封装可降低其毒性，为相关研究提供重要依据。

　　

研究背景

在神奇的科技世界里，卤化物钙钛矿纳米颗粒（PNPs）作为光伏材料，展现出巨大的潜力，就像一颗闪耀的新星，吸引着众多科研人员的目光。其中，铅基钙钛矿纳米颗粒（Pb-PNPs）凭借其高光伏转换效率，在太阳能电池、发光二极管、光电探测器等众多领域大显身手，广泛应用于现代科技产品中。然而，这颗新星却暗藏隐患。

由于 Pb-PNPs 稳定性差、水溶性高，在生产、使用和回收过程中，大量的铅会 “跑” 出来，进入水和土壤等环境中。铅可是个 “危险分子”，它是一种广泛存在的环境毒物，会干扰中枢神经系统（CNS）的发育，还能穿过胎盘屏障，影响胎儿大脑发育，对儿童的视网膜光感受器也会产生长期影响。视网膜作为中枢神经系统的延伸，在发育过程中特别容易受到有毒物质的伤害。但目前，Pb-PNPs 对早期视网膜发育的影响还不清楚，而且之前大多数关于铅暴露的研究都是在斑马鱼、大鼠、小鼠和细胞模型上进行的，缺乏能模拟人类胚胎视网膜早期发育的合适模型。因此，开展相关研究迫在眉睫，以揭开 Pb-PNPs 对人类视网膜发育影响的神秘面纱。

为了解开这个谜团，中国科学院干细胞库的研究人员挺身而出，展开了一项极具意义的研究。他们的研究成果对于深入了解 Pb-PNPs 的危害、保障人类健康具有重要意义，相关论文发表在《Journal of Nanobiotechnology》期刊上。

研究方法

研究人员为了开展这项研究，采用了多种先进的技术方法。他们建立了人类胚胎干细胞衍生的三维漂浮视网膜类器官（hEROs）模型，以此来模拟早期视网膜发育过程。利用免疫荧光染色技术，能够直观地观察细胞和组织中的特定蛋白表达情况；生物透射电子显微镜（Bio-TEM）分析，可以深入了解纳米材料在细胞内的分布以及细胞内部结构的变化；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS），则用于精确测定样品中铅、溴和铯等元素的浓度；二维元素分布检测技术，能清晰呈现元素在类器官切片中的分布情况；RNA 测序（RNA-seq），可以全面分析基因表达谱的变化，探索潜在的分子机制。

研究结果

1. CsPbBr?和 CsPbBr?-SiO?纳米颗粒的合成与表征：研究人员通过改进的过饱和重结晶方法成功合成了 CsPbBr?纳米颗粒，并在其表面包覆 SiO?壳，形成 CsPbBr?-SiO?纳米颗粒。透射电子显微镜（TEM）图像显示，CsPbBr?纳米颗粒平均尺寸为 30nm，SiO?壳厚度约 15nm。X 射线衍射（XRD）、能量色散 X 射线光谱（EDS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线光电子能谱（XPS）等分析结果证实了 CsPbBr?-SiO?纳米颗粒的成功合成，且 SiO?壳未改变 CsPbBr?纳米颗粒的晶体结构。
2. hESC 衍生的视网膜类器官的生成与鉴定：研究人员利用实验室先前发表的方案培养人类视网膜类器官。在不同时间点观察到类器官的形态发生变化，神经视网膜（NR）结构在第 18 天左右出现，并逐渐形成层状结构。通过对第 39 天的 hEROs 进行视网膜标记物染色，成功检测到视网膜祖细胞标记物 CHX10 和 PAX6、视网膜神经节细胞标记物 BRN3A、视网膜未分化 / 神经节细胞标记物 HUC/D 和光感受器祖细胞 / 前体细胞标记物 CRX，这表明 hERO 模型成功建立。
3. 铅基钙钛矿纳米颗粒暴露对 hESC 衍生的视网膜类器官形态发生的影响：研究人员在 hEROs 培养的第 18 天开始暴露于 CsPbBr?纳米颗粒，持续 3 周。结果发现，随着 CsPbBr?纳米颗粒浓度的增加和暴露时间的延长，NR 的面积和厚度逐渐减小，呈现出浓度依赖性。进一步分析发现，CsPbBr?纳米颗粒抑制了 NR 细胞的增殖，促进了细胞凋亡，这表明 CsPbBr?纳米颗粒对 NR 的发育产生了负面影响。
4. 铅基钙钛矿纳米颗粒暴露对视网膜神经节细胞发育的影响：视网膜神经节细胞（RGCs）是视网膜发育过程中最早形成的神经元类型。研究发现，暴露于 CsPbBr?纳米颗粒后，第 39 天的 RGCs 层阳性标记物 ATOH7、ISL1 和 BRN3A 的厚度明显变薄，阳性细胞比例降低。同时，HUC/D 阳性细胞比例减少，异位 RGCs 比例增加，RBPMS 阳性细胞比例也显著下降。这些结果表明，CsPbBr?纳米颗粒暴露导致早期 RGC 发育异常。
5. CsPbBr?和 Pb (AC)?的毒性比较及二氧化硅封装的保护作用：研究人员选择醋酸铅（Pb (AC)?）作为阳性对照，并研究了 SiO?封装对 CsPbBr?纳米颗粒毒性的影响。结果显示，相同质量浓度下，Pb (AC)?对 hEROs 早期发育的影响比 CsPbBr?纳米颗粒更显著，这可能是因为 hEROs 在 Pb (AC)?组中摄取了更高浓度的铅。而 SiO?封装的 CsPbBr?纳米颗粒（CsPbBr?-SiO?）对 hEROs 的毒性明显降低，细胞增殖能力增强，细胞凋亡减少，RGCs 发育得到改善。这表明 SiO?封装在一定程度上可以降低 CsPbBr?纳米颗粒的视网膜早期发育毒性。
6. CsPbBr?暴露对 hESC 衍生的视网膜类器官影响的分子机制探索：通过转录组测序分析，研究人员发现 CsPbBr?纳米颗粒暴露导致 2780 个差异表达基因（DEGs），KEGG 富集分析表明这些基因显著富集在调节干细胞多能性的信号通路和钙信号通路等。钙信号通路相关基因的变化导致内质网钙平衡失调，引发内质网应激。内质网应激会导致 PAX6 基因表达下调，而 PAX6 在视网膜发育中起着关键作用，它的下调影响了 RGCs 的分化。这些结果揭示了 CsPbBr?纳米颗粒影响视网膜发育的潜在分子机制。

研究结论与意义

综上所述，这项研究利用三维漂浮视网膜类器官模型，揭示了 CsPbBr?纳米颗粒暴露对人类早期视网膜发育的影响。研究结果表明，视网膜类器官是评估纳米材料发育毒性的可靠模型。CsPbBr?纳米颗粒影响视网膜祖细胞的增殖和分化，且其毒性比传统可溶性 Pb (AC)?低。同时，研究人员初步发现，介孔二氧化硅封装 CsPbBr?纳米颗粒是降低其毒性的可行方法，但还需要进一步优化。此外，转录组分析揭示了内质网钙稳态失调和干细胞多能性调节与 CsPbBr?纳米颗粒诱导的早期视网膜发育毒性相关。

这项研究为深入了解 Pb-PNPs 对人类视网膜发育的影响提供了重要依据，为评估纳米材料的安全性和开发减毒策略奠定了基础，对保障人类健康和推动相关领域的发展具有重要意义。未来，还需要进一步深入研究 CsPbBr?纳米颗粒的发育毒性，优化减毒方法，以更好地应对 Pb-PNPs 带来的潜在风险。