大连理工环境学院(大连理工大学生物工程研究生)国家经贸平台2020-06-14 19:51:23

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日前，大连理工大学环境学院李雪花副教授团队和苏州大学李瑞斌教授团队在环境健康领域国际权威期刊《环境健康视角》(Environmental Health Perspectives)发表了题为《用于预测的定量构效关系模型》的论文(纳米金属氧化物诱导炎症的定量构效关系模型)(DOI: 10.1289/EHP6508)。本研究首次建立了机器学习模型，实现了纳米材料引起肺部炎症的预测。它不仅为纳米材料的风险评估提供了重要工具，也拓展了对纳米材料炎症效应机制的认识。

随着纳米技术的发展，越来越多的纳米材料在生产和使用过程中进入环境，威胁着人体和生态系统的健康。人体吸入纳米颗粒会引起肺部炎症和肺纤维化，因此评价纳米材料的肺部炎症作用非常重要。传统的纳米毒性评价方法主要依赖活体动物实验。由于纳米材料的多样性和生物系统的复杂性，大规模的动物实验带来了巨大的伦理问题和经济负担。

研究内容和技术路线

鉴于上述困难，本研究首次报道了一种预测纳米金属氧化物肺部炎症效应的机器学习模型。这项研究的主要发现如下:

(1)构建了30种纳米金属氧化物的数据库，包括金属氧化物的4种定量理化性质。检测了多种金属氧化物诱导免疫细胞产生的细胞因子，发现IL-1是炎症反应的重要生物标志物，为精细信息资源细胞和动物中纳米材料的炎症风险评估提供了重要的基础数据。

(2)基于已建立的数据库和量子化学计算，开发了预测纳米金属氧化物肺部炎症效应的机器学习模型，模型预测准确率达到90%以上。实验表明，该模型的外部预测能力较好，准确率为86%。

(3)鉴定和证明金属氧化物诱导炎症效应的关键细胞事件。机器学习分析、量子化学计算和实验结果表明，细胞摄取、溶酶体损伤和组织蛋白酶B释放是金属氧化物引起炎症的关键事件。

纳米金属氧化物引起肺部炎症的机制

《环境健康展望》是环境健康领域的国际权威期刊。据《科学网》搜索，该刊2019年共发表论文174篇，其中第一完成单位的论文15篇在国内。

这项工作为纳米材料的毒性筛选和安全性设计提供了工具，也为未来用计算模拟取代大规模动物实验提供了可能。本工作得到了国家自然科学基金(21777019，21477016，31671032)和科技部国际合作重点项目(2018YFE0120400)的资助。

第一作者:黄洋(大连理工大学环境学院博士生)

通讯员:李雪花(大连理工大学环境学院)

李瑞斌(东吴大学放射医学与防护学院)

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