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納米材料生物安全性評價的研究進展

作者:admin 更新時間:2019年06月03日 09:58:33

  摘要:目前,納米材料生物安全性評價體系的建立還處在探索階段,對納米材料生物安全性評價還主要集中于對其健康效應的毒理學研究,而針對納米材料的系統人群流行病學研究開展較少。


  關鍵詞:納米材料;生物安全性;評價


  KeyWords:nanomaterials;bio-safety;evaluation納米材料(nanomaterial)是指由處于1~100nm尺度范圍內的納米顆粒(nanoparticulate)及其致密的聚集體,以及納米微晶體所構成的具有一系列新物性(小尺寸效應、接口效應、量子效應和量子隧道效應)的材料[1]。


  隨著納米技術的飛速發展,各種納米材料大量涌現,其優良特性及新奇功能使其具有廣泛的應用前景,人們接觸納米材料的機會也隨之迅速增多。對納米材料的生物安全性進行評價成為迫在眉睫的問題。然而,現有的環境與職業衛生接觸標準及安全性評價標準及方法能否直接適用于納米材料還未能確定,納米材料生物安全性評價體系的建立還處在探索階段。目前,對納米材料生物安全性評價還主要集中在對其健康效應的毒理學研究。本文從人群流行病學和實驗室研究兩個方面分析納米材料生物安全性的研究進展。


  1人群流行病學研究


  美國和歐洲的科學家針對大氣污染物中納米顆粒成分進行了一項長達20年的流行病學研究,結果發現:人群發病率和死亡率與他們所處生活環境空氣中大氣顆粒物濃度和顆粒物大小密切相關,死亡率增加是由濃度非常低的相對較小的顆粒物的增加引起的[2]。世界衛生組織(WHO)[2]對已有的實驗數據進行分析發現:①周圍空氣10μm的顆粒每增加100μg/m3,死亡率增加6%~8%,周圍空氣2.5μm的顆粒每增加100μg/m3,死亡率增加12%~19%;②周圍空氣10μm的顆粒每增加50μg/m3,住院病人增加3%~6%,周圍空氣2.5μm的顆粒每增加50μg/m3,住院病人增加25%;③周圍空氣10μm的顆粒每增加50μg/m3,哮喘病人病情惡化和使用支氣管擴張器增加8%,咳嗽病人增加12%。


  大氣納米顆粒的流行病學研究結果為納米材料的生物安全性評價提供了參考,但是,納米材料特殊的理化性質對其粒徑、組成和在媒介中分布情況的影響是否與人們所熟悉的總懸浮顆粒物(TSP)、PM10和超細顆粒物(UFPs)等具有相似性,目前還沒有科學定論;能否將大氣納米顆粒的流行病學研究結果簡單地外推到納米材料上,也還有待研究證實。


  隨著越來越多的納米材料、納米產品進入人們的日常生活,它究竟會對環境及健康引起什么樣的生物效應,我們知之甚少。到目前為止,仍未見專門針對納米材料的系統人群流行病學研究報道,更無納米材料全面的生物安全性評價資料。


  2實驗室研究


  近幾年,納米毒理學研究成為納米材料生物安全性評價研究的一個熱點,從傳統對呼吸系統、消化系統和皮膚功能的影響研究擴展到當前流行的生物學終點研究,例如納米材料引發的呼吸道和心血管系統炎癥反應的氧化應激、細胞信號傳導的改變以及炎癥介子的激活和釋放情況;從研究納米材料對生物體局部影響的觀察到對各種納米材料在體內的吸收、分布、代謝和清除,以及生物靶器官相互作用規律的系統研究。納米毒理學的快速發展,為納米材料生物安全性評價體系的建立積累了重要的數據資料,同時,為探索納米材料生物安全性評價方法以及納米材料安全性標準及安全防護提供了科學線索。


  2.1納米材料的毒代動力學研究


  納米材料進入機體后,可以向全身組織彌散。WANG等[3]用放射性125I標記的單壁碳納米管(Single-walledcarbonnanotube,SWCNT)經灌胃、腹腔注射和靜脈等不同途徑給藥后,相對分子質量超過60萬的SWCNT可以像小分子一樣在身體各部分間自由穿梭,迅速分布于小鼠身體各器官組織中(除大腦),這一點與常規物質截然不同。


  一般而言,納米材料在體內組織間的彌散主要有以下3種途徑:①由呼吸道表面向黏膜下組織彌散:OBERDORSTER等[4]發現,大鼠暴露于20nm多聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)4h后,PTFE已經進入呼吸道黏膜下及肺泡間質區。LAM[5]和WARHEIT[6]也觀察到了SWCNT向動物肺間質組織彌散的情況。②通過循環系統彌散:OBERDORSTER等[7]給大鼠吸入13C顆粒(30nm),24h后在肝臟中發現了聚集的13C。③穿透血腦屏障:KREUTER等[8]發現,靜脈注射聚山梨酯-80包裹的阿霉素納米顆粒,可被大腦毛細血管內皮細胞吞噬后穿透大鼠血腦屏障。OBERDORSTER等[9]還發現了另一種進入中樞神經系統的可能通路――嗅神經通路。所有這些說明,納米材料進入機體后可以在體內彌散,因此有必要對其毒代動力學進行深入研究。


  2.2納米材料的整體生物效應


  初步研究結果顯示,不同的納米材料會出現不一樣的毒作用表現;同一種材料納米級和微米級可能出現不同的生物毒性。ZHAO等[10]發現在生理鹽水溶液中<100nm的磁性納米微粒,僅僅微克量級進入小鼠血管就能很快導致凝血現象以致堵塞血管,導致小鼠死亡。說明這種納米材料進入生物體容易與心血管系統相互作用,可能有導致心血管疾病的潛在危險。進一步研究發現,對這種納米材料表面進行化學修飾,可以極大地改變它的生物效應。研究發現,納米Cu粉對小鼠的脾、腎、胃均能造成嚴重損傷,而相同劑量的微米Cu粉卻未發現損傷。同樣的情況出現在對二氧化鈦(TiO2)顆粒的研究中,FERIN等[11]研究發現納米TiO2(平均直徑為20nm)引起的大鼠肺部炎癥比相同空氣質量濃度的微米級TiO2(平均直徑為250nm)更為嚴重。


  但是,也不是所有的納米材料都如此。比如,研究[12]發現納米ZnO與通常的微米ZnO都幾乎沒有生物毒性。這些研究結果改變了人們對顆粒毒性問題的認識:即使是無毒或低毒的細顆粒材料,其納米顆粒也可能會變得有毒。因此,此類曾被認為無毒或極低毒物質的納米級顆粒以及其他納米顆粒成了毒理學研究的熱點。


  2.3納米材料對呼吸系統的影響


  2.3.1在呼吸系統內的沉積國際放射線防護委員會(ICRP)1994年的研究指出[13],納米材料可以在人類呼吸道及肺泡中沉積。粒徑為1nm的顆粒,90%左右沉積在鼻咽部,其余10%沉積在氣管、支氣管區,肺泡中幾乎不沉積;粒徑為5~10nm的成分,沉積在上述3個區域均為20%~30%;粒徑為20nm的成分,有50%左右沉積在肺泡內。這說明納米材料在人呼吸道內的沉積部位與粒徑有關。近來的多項研究也發現納米材料可以在動物的呼吸道各段和肺泡內沉積。雖然被吸入體內的納米材料質量濃度并不高,但由于粒徑極小,數量是極大的,所有這些都為納米材料致肺臟損傷提供了可能。


  2.3.2對肺的炎性刺激AFAQ等[14]用支氣管注入法研究超細TiO2(<30nm,用量2mg)對大鼠的毒性時,發現肺泡巨噬細胞的數量增加,同時細胞內的谷胱甘肽過氧化酶、谷胱甘肽還原酶、6-磷酸葡萄糖脫氫酶、谷胱甘肽硫轉移酶的活性均升高,而且,酶活性升高并沒有阻止脂質過氧化和過氧化氫的生成,這表明受到納米TiO2作用時,盡管細胞啟動自我保護機制誘導了抗氧化酶的生成,卻未能消除其產生的毒副作用。進一步的研究觀察發現納米TiO2引起了支氣管肺泡灌洗液內蛋白質總量乳酸脫氫酶及b-葡萄糖苷酸酶的活性普遍升高,而且比表面積效應曲線與實際的炎癥情況有很好的相關性。


  OBERDORSTER等[15]用粒徑為20nm和200nm的TiO2做了大鼠亞慢性吸人實驗,發現20nmTiO2不僅有很強的生物效應,而且也顯現出不同的毒代動力學表現,使肺在低于顆粒容積負荷的情況下出現清除能力顯著下降,并導致炎癥反應增強的現象。WARHEIT等[16]研究了SWCNT對大鼠的影響,結果也觀察到了肺損傷和肉芽腫的形成,但是,SWCNT暴露所導致的是多病灶肉芽腫,且沒有進行性肺部炎癥和細胞增生的表現,這種肉芽腫損傷更像免疫反應或是肺對外來物質的清除反應,這預示著SWCNT具有新的致肺損傷機制。


  2.3.3致肺巨噬細胞(AM)損傷納米材料可引起暴露動物肺的清除能力下降,并導致明顯的AM損傷[17,18]。RENWICK[19]等發現,小鼠AM在含有納米炭黑(14.3nm)及納米TiO2(29.0nm)的培養基中培養8h后,其吞噬能力受到了明顯的抑制。RENWICK等[20]用健康志愿者的AM暴露于0.03~3μg/106的納米碳微粒中發現,AM對SiO2微粒的貼附和吞噬功能都受到了抑制。ZHANG等[21]發現納米材料可以對AM細胞膜造成損傷。MOELER等[22]發現了納米材料對AM骨架的影響。


  2.3.4致肺部氧化損傷納米材料致肺部炎癥和損傷與其小粒徑和大表面積的特性有關,同時也與納米材料刺激機體產生自由基繼而引發氧化損傷有關。DICK等[23]比較了納米炭黑、納米鈷、納米鎳和納米TiO2,發現它們致肺部損傷的程度與產生自由基并且引發氧化損傷有關。他們認為,這是納米材料表面可以與組織發生反應產生自由基的緣故。


  2.4納米材料對消化系統的影響


  吸收進入消化道黏膜下層組織的納米微粒可以進入毛細淋巴管,從而引起淋巴細胞的免疫應答反應,有研究[24]顯示,Crohn's病(節段性回腸炎)與腸道微粒對腸道壁刺激有關。通過黏膜下層進入毛細血管的納米微粒可到達全身各組織器官,JANI等[25]分別用50、100nm尺寸的聚苯乙烯微粒按照1.25mg/kg劑量喂食雌性SD大鼠,10d后在大鼠體內檢測到34%的50nm聚苯乙烯微粒和26%的100nm聚苯乙烯微粒。


  SZENTKUTI[26]對納米材料在消化系統中的毒物動力學研究顯示:納米材料的表面荷電性以及粒徑大小對其進入腸道有重要影響,粒徑越小,腸道對其的吸收速度越快,吸收的數量也越多。


  2.5納米材料對皮膚的影響


  納米材料可以滲透皮膚引起皮膚的炎癥反應。MENZEL等[27]用粒徑為45~150nm長、17~35nm寬的納米TiO2覆蓋與人體皮膚最為相似的豬皮,8h后通過粒子誘發X射線熒光分析(PIXE)觀察納米TiO2在皮膚結構中的分布情況,實驗結果證實納米TiO2可以通過角質層進入到表皮下的顆粒層,尤其是在表皮生發層。OBERDORSTER[28]和SAUNDERS[29]也在毛囊角質層和毛乳頭處發現了防曬霜中的超細TiO2顆粒的沉積。


  從目前的研究結果顯示:納米材料對皮膚滲透作用的特點主要是:①與納米材料粒徑有關,粒徑越小越易滲透進入皮膚;②進入真皮的納米材料性質決定了其對皮膚的刺激作用;③可以溶解的物質、金屬等的浸提液、納米顆粒較易滲透入皮膚。


  2.6納米材料對細胞的作用


  納米材料能夠進入細胞并與細胞發生作用,主要是對跨膜過程和細胞分裂、增殖、凋亡等基本生命過程的影響和相關信號傳導通路的調控,從而在細胞水平上產生一定的生物效應。研究[12]發現,材料的拓撲結構和化學特性是決定細胞與其相互作用的重要因素,某些納米拓撲結構會促進細胞的粘附、鋪展和細胞骨架的形成,但是在某些情況下,納米拓撲結構會對細胞骨架分布和張力纖維的取向產生負面影響。趙宇亮等[12]發現碳納米管容易進入細胞,并影響細胞結構,在低劑量下可以刺激肺巨噬細胞的吞噬能力,但在高劑量下,則嚴重降低肺巨噬細胞對外源性毒物的吞噬功能。


  對納米TiO2的一系列研究結果揭示了納米材料可能的細胞毒作用機制:①攻擊細胞膜,使其破裂,使細胞壞死。LIPPMANN等[30]發現,納米TiO2處理的細胞,可以檢測出大量的鈣離子,說明細胞膜的破裂,鈣離子的滲出。②利用納米TiO2超微性進入細胞質,高化學活性又使其具備氧化損傷細胞遺傳物質的能力。WAMER等[31]的實驗證明,納米TiO2損傷人體纖維原細胞的核酸,將納米TiO2作用后的細胞分離出RNA和DNA,在RNA中可以檢測到8-羥基鳥苷的生成。由于RNA負責遺傳信息從DNA到蛋白質的傳遞,納米TiO2對RNA的損傷間接影響了細胞遺傳信息的表達。③抑制細胞生長和增殖。YEATES等[32]用47nm粒徑的納米TiO2培養細胞系Bel-7402人肝癌細胞,發現細胞系G1期細胞數明顯增加,S期數量減少,即納米TiO2通過阻止細胞從G1期進入S期,通過影響細胞周期抑制細胞生長。④引起細胞凋亡。WANG等[33]用粒徑<20nm的TiO2作用于纖維原細胞,通過透射電子顯微鏡(TEM)觀測其形態變化,凝膠電泳觀察DNA的變化,發現細胞核核仁消失,細胞膜起泡,形成小體,DNA出現梯狀的隨機斷裂,從而證實了納米TiO2引發細胞凋亡的理論推測。


  2.7納米材料對DNA的損傷作用


  8-羥基脫氧鳥苷是DNA氧化損傷的標志物,是鳥嘌呤上的C-8位受到攻擊的產物。JUVIN等[34]用320~400nm的紫外線照射在納米TiO2溶液中的小牛胸腺DNA,用高效液相色譜儀(HPLC)分析反應后的小牛胸腺DNA,發現有8-羥基脫氧鳥苷的生成,從而驗證了納米TiO2對DNA的氧化損傷作用。


  LUNDBORG等[35]用含有納米TiO2的防曬化妝品作用于核酸PBⅡDNA,介于300~400nm的紫外線照射,通過DNA凝膠電泳分析,發現了DNA的解旋與斷裂。


  ASHIKAGA[36]等采用超螺旋pBR322DNA作為作用對象,將其與一定濃度的納米TiO2混合,采用波長在365nm左右的黑燈提供紫外光照35.5min,通過柯達顯像密度計分析,得到了有25%左右的DNA產生解旋的試驗結果。在同樣的實驗條件下,如果提高光照的強度與光照時間,DNA的解旋率必然會增加。


  綜上所述,納米材料具有一定的生物活性,可以通過呼吸系統、消化道和皮膚進入機體。納米材料可以沉淀在呼吸系統引起炎癥反應;可損傷AM致肺清除功能下降,引發肺部慢性炎癥病變和氧化損傷;可以從沉淀部位向周圍組織彌散,穿透血氣屏障進入循環系統;還可穿透血腦屏障和經嗅神經通路導致腦損傷。


  由于納米材料種類繁多,理化性質各不相同,即使同一種納米材料不同粒徑也會出現不同的生物效應。因此,對每年不斷涌現的新型納米材料進行生物安全性評價就顯得尤為緊迫和必要,對合適的研究模型和高通量篩選的方法以及系統的人群流行病學調查將成為納米材料生物安全性評價體系建立的下一步研究重點。


  (致謝:特別感謝胡天錫教授、顧祖維教授、應賢平主任醫師、吳世達主任醫師、陳良主任醫師和賈曉東博士對本文提出的寶貴意見。

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