日前，大連理工大學環境學院李雪花副教授團隊與蘇州大學李瑞賓教授團隊合作在國際環境健康領域權威期刊《Environmental Health Perspectives》上發表了題為「Quantitative structure-activity relationship models for predicting inflammatory potential of metal oxide nanoparticles」(納米金屬氧化物誘導炎症效應的定量結構-效應關係模型)的研究論文(DOI: 10.1289/EHP6508)。該研究首次構建了機器學習模型，實現了對納米材料造成肺部炎症效應的預測。不僅為納米材料風險評價提供了重要的工具，還拓展了對納米材料炎症效應機理的認識。
隨著納米科技的發展，越來越多納米材料在生產和使用中進入環境，威脅人體和生態系統的健康。人體吸入納米顆粒會引發肺部炎症，造成肺部纖維化，評價納米材料的肺部炎症效應至關重要。納米毒性的傳統評價方法主要依賴活體動物實驗。由於納米材料種類不斷增多以及生物系統的複雜性，大規模動物實驗帶來很大的倫理問題和經濟負擔。
針對以上難點，該研究首次報導了預測納米金屬氧化物肺部炎症效應的機器學習模型。該研究主要發現如下：
(1) 構建了包含30種納米金屬氧化物的資料庫，其中涵蓋金屬氧化物的4種定量理化性質。檢測了金屬氧化物在免疫細胞中引發的多種細胞因子，發現白介素IL-1β是炎性響應的重要生物學標誌物，為納米材料在細胞和動物體內炎症風險評估提供了重要的基礎數據。
(2) 基於所構建的資料庫和量子化學計算，開發了預測納米金屬氧化物肺部炎症效應的機器學習模型，模型的預測準確率達90%以上。通過實驗的驗證，證明模型的外部預測能力良好，準確率達86%。
(3) 識別和證明了金屬氧化物誘導炎症效應的關鍵細胞事件。機器學習分析、量子化學計算和實驗結果共同說明：細胞攝取、溶酶體損傷及組蛋白酶Cathepsin B釋放是金屬氧化物造成炎症的關鍵事件。
《Environmental Health Perspectives》是環境健康領域國際權威期刊。經Web of Science檢索，該刊2019年共發表論文174篇，其中第一完成單位在中國的論文共有15篇。
這項工作為納米材料的毒性篩查和安全性設計提供了工具，也為未來實現以計算模擬替代大規模動物實驗提供了可能性。該工作得到國家自然科學基金(21777019, 21477016, 31671032)和科技部國際合作重點項目(2018YFE0120400)的資助。
第一作者：黃楊 (博士生，大連理工大學環境學院)
通訊作者：李雪花 (大連理工大學環境學院)
李瑞賓 (蘇州大學放射醫學與防護學院)
內容來源：大連理工大學官方微信平臺 大連理工大學環境學院
圖文作者：黃楊 胥吉萍
編輯：白書彬
校對：徐一丹
責任編輯：周學飛