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纳米材料生物安全性评价的研究进展

作者:admin 更新时间:2019年06月03日 09:58:33

  摘要:目前,纳米材料生物安全性评价体系的建立还处在探索阶段,对纳米材料生物安全性评价还主要集中于对其健康效应的毒理学研究,而针对纳米材料的系统人群流行病学研究开展较少。


  关键词:纳米材料;生物安全性;评价


  KeyWords:nanomaterials;bio-safety;evaluation纳米材料(nanomaterial)是指由处于1~100nm尺度范围内的纳米颗粒(nanoparticulate)及其致密的聚集体,以及纳米微晶体所构成的具有一系列新物性(小尺寸效应、接口效应、量子效应和量子隧道效应)的材料[1]。


  随着纳米技术的飞速发展,各种纳米材料大量涌现,其优良特性及新奇功能使其具有广泛的应用前景,人们接触纳米材料的机会也随之迅速增多。对纳米材料的生物安全性进行评价成为迫在眉睫的问题。然而,现有的环境与职业卫生接触标准及安全性评价标准及方法能否直接适用于纳米材料还未能确定,纳米材料生物安全性评价体系的建立还处在探索阶段。目前,对纳米材料生物安全性评价还主要集中在对其健康效应的毒理学研究。本文从人群流行病学和实验室研究两个方面分析纳米材料生物安全性的研究进展。


  1人群流行病学研究


  美国和欧洲的科学家针对大气污染物中纳米颗粒成分进行了一项长达20年的流行病学研究,结果发现:人群发病率和死亡率与他们所处生活环境空气中大气颗粒物浓度和颗粒物大小密切相关,死亡率增加是由浓度非常低的相对较小的颗粒物的增加引起的[2]。世界卫生组织(WHO)[2]对已有的实验数据进行分析发现:①周围空气10μm的颗粒每增加100μg/m3,死亡率增加6%~8%,周围空气2。5μm的颗粒每增加100μg/m3,死亡率增加12%~19%;②周围空气10μm的颗粒每增加50μg/m3,住院病人增加3%~6%,周围空气2。5μm的颗粒每增加50μg/m3,住院病人增加25%;③周围空气10μm的颗粒每增加50μg/m3,哮喘病人病情恶化和使用支气管扩张器增加8%,咳嗽病人增加12%。


  大气纳米颗粒的流行病学研究结果为纳米材料的生物安全性评价提供了参考,但是,纳米材料特殊的理化性质对其粒径、组成和在媒介中分布情况的影响是否与人们所熟悉的总悬浮颗粒物(TSP)、PM10和超细颗粒物(UFPs)等具有相似性,目前还没有科学定论;能否将大气纳米颗粒的流行病学研究结果简单地外推到纳米材料上,也还有待研究证实。


  随着越来越多的纳米材料、纳米产品进入人们的日常生活,它究竟会对环境及健康引起什么样的生物效应,我们知之甚少。到目前为止,仍未见专门针对纳米材料的系统人群流行病学研究报道,更无纳米材料全面的生物安全性评价资料。


  2实验室研究


  近几年,纳米毒理学研究成为纳米材料生物安全性评价研究的一个热点,从传统对呼吸系统、消化系统和皮肤功能的影响研究扩展到当前流行的生物学终点研究,例如纳米材料引发的呼吸道和心血管系统炎症反应的氧化应激、细胞信号传导的改变以及炎症介子的激活和释放情况;从研究纳米材料对生物体局部影响的观察到对各种纳米材料在体内的吸收、分布、代谢和清除,以及生物靶器官相互作用规律的系统研究。纳米毒理学的快速发展,为纳米材料生物安全性评价体系的建立积累了重要的数据资料,同时,为探索纳米材料生物安全性评价方法以及纳米材料安全性标准及安全防护提供了科学线索。


  2.1纳米材料的毒代动力学研究


  纳米材料进入机体后,可以向全身组织弥散。WANG等[3]用放射性125I标记的单壁碳纳米管(Single-walledcarbonnanotube,SWCNT)经灌胃、腹腔注射和静脉等不同途径给药后,相对分子质量超过60万的SWCNT可以像小分子一样在身体各部分间自由穿梭,迅速分布于小鼠身体各器官组织中(除大脑),这一点与常规物质截然不同。


  一般而言,纳米材料在体内组织间的弥散主要有以下3种途径:①由呼吸道表面向黏膜下组织弥散:OBERDORSTER等[4]发现,大鼠暴露于20nm多聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene,PTFE)4h后,PTFE已经进入呼吸道黏膜下及肺泡间质区。LAM[5]和WARHEIT[6]也观察到了SWCNT向动物肺间质组织弥散的情况。②通过循环系统弥散:OBERDORSTER等[7]给大鼠吸入13C颗粒(30nm),24h后在肝脏中发现了聚集的13C。③穿透血脑屏障:KREUTER等[8]发现,静脉注射聚山梨酯-80包裹的阿霉素纳米颗粒,可被大脑毛细血管内皮细胞吞噬后穿透大鼠血脑屏障。OBERDORSTER等[9]还发现了另一种进入中枢神经系统的可能通路――嗅神经通路。所有这些说明,纳米材料进入机体后可以在体内弥散,因此有必要对其毒代动力学进行深入研究。


  2。2纳米材料的整体生物效应


  初步研究结果显示,不同的纳米材料会出现不一样的毒作用表现;同一种材料纳米级和微米级可能出现不同的生物毒性。ZHAO等[10]发现在生理盐水溶液中<100nm的磁性纳米微粒,仅仅微克量级进入小鼠血管就能很快导致凝血现象以致堵塞血管,导致小鼠死亡。说明这种纳米材料进入生物体容易与心血管系统相互作用,可能有导致心血管疾病的潜在危险。进一步研究发现,对这种纳米材料表面进行化学修饰,可以极大地改变它的生物效应。研究发现,纳米Cu粉对小鼠的脾、肾、胃均能造成严重损伤,而相同剂量的微米Cu粉却未发现损伤。同样的情况出现在对二氧化钛(TiO2)颗粒的研究中,FERIN等[11]研究发现纳米TiO2(平均直径为20nm)引起的大鼠肺部炎症比相同空气质量浓度的微米级TiO2(平均直径为250nm)更为严重。


  但是,也不是所有的纳米材料都如此。比如,研究[12]发现纳米ZnO与通常的微米ZnO都几乎没有生物毒性。这些研究结果改变了人们对颗粒毒性问题的认识:即使是无毒或低毒的细颗粒材料,其纳米颗粒也可能会变得有毒。因此,此类曾被认为无毒或极低毒物质的纳米级颗粒以及其他纳米颗粒成了毒理学研究的热点。


  2.3纳米材料对呼吸系统的影响


  2.3.1在呼吸系统内的沉积国际放射线防护委员会(ICRP)1994年的研究指出[13],纳米材料可以在人类呼吸道及肺泡中沉积。粒径为1nm的颗粒,90%左右沉积在鼻咽部,其余10%沉积在气管、支气管区,肺泡中几乎不沉积;粒径为5~10nm的成分,沉积在上述3个区域均为20%~30%;粒径为20nm的成分,有50%左右沉积在肺泡内。这说明纳米材料在人呼吸道内的沉积部位与粒径有关。近来的多项研究也发现纳米材料可以在动物的呼吸道各段和肺泡内沉积。虽然被吸入体内的纳米材料质量浓度并不高,但由于粒径极小,数量是极大的,所有这些都为纳米材料致肺脏损伤提供了可能。


  2。3。2对肺的炎性刺激AFAQ等[14]用支气管注入法研究超细TiO2(<30nm,用量2mg)对大鼠的毒性时,发现肺泡巨噬细胞的数量增加,同时细胞内的谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽还原酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶、谷胱甘肽硫转移酶的活性均升高,而且,酶活性升高并没有阻止脂质过氧化和过氧化氢的生成,这表明受到纳米TiO2作用时,尽管细胞启动自我保护机制诱导了抗氧化酶的生成,却未能消除其产生的毒副作用。进一步的研究观察发现纳米TiO2引起了支气管肺泡灌洗液内蛋白质总量乳酸脱氢酶及b-葡萄糖苷酸酶的活性普遍升高,而且比表面积效应曲线与实际的炎症情况有很好的相关性。


  OBERDORSTER等[15]用粒径为20nm和200nm的TiO2做了大鼠亚慢性吸人实验,发现20nmTiO2不仅有很强的生物效应,而且也显现出不同的毒代动力学表现,使肺在低于颗粒容积负荷的情况下出现清除能力显著下降,并导致炎症反应增强的现象。WARHEIT等[16]研究了SWCNT对大鼠的影响,结果也观察到了肺损伤和肉芽肿的形成,但是,SWCNT暴露所导致的是多病灶肉芽肿,且没有进行性肺部炎症和细胞增生的表现,这种肉芽肿损伤更像免疫反应或是肺对外来物质的清除反应,这预示着SWCNT具有新的致肺损伤机制。


  2.3.3致肺巨噬细胞(AM)损伤纳米材料可引起暴露动物肺的清除能力下降,并导致明显的AM损伤[17,18]。RENWICK[19]等发现,小鼠AM在含有纳米炭黑(14.3nm)及纳米TiO2(29.0nm)的培养基中培养8h后,其吞噬能力受到了明显的抑制。RENWICK等[20]用健康志愿者的AM暴露于0.03~3μg/106的纳米碳微粒中发现,AM对SiO2微粒的贴附和吞噬功能都受到了抑制。ZHANG等[21]发现纳米材料可以对AM细胞膜造成损伤。MOELER等[22]发现了纳米材料对AM骨架的影响。


  2.3.4致肺部氧化损伤纳米材料致肺部炎症和损伤与其小粒径和大表面积的特性有关,同时也与纳米材料刺激机体产生自由基继而引发氧化损伤有关。DICK等[23]比较了纳米炭黑、纳米钴、纳米镍和纳米TiO2,发现它们致肺部损伤的程度与产生自由基并且引发氧化损伤有关。他们认为,这是纳米材料表面可以与组织发生反应产生自由基的缘故。


  2.4纳米材料对消化系统的影响


  吸收进入消化道黏膜下层组织的纳米微粒可以进入毛细淋巴管,从而引起淋巴细胞的免疫应答反应,有研究[24]显示,Crohn's病(节段性回肠炎)与肠道微粒对肠道壁刺激有关。通过黏膜下层进入毛细血管的纳米微粒可到达全身各组织器官,JANI等[25]分别用50、100nm尺寸的聚苯乙烯微粒按照1。25mg/kg剂量喂食雌性SD大鼠,10d后在大鼠体内检测到34%的50nm聚苯乙烯微粒和26%的100nm聚苯乙烯微粒。


  SZENTKUTI[26]对纳米材料在消化系统中的毒物动力学研究显示:纳米材料的表面荷电性以及粒径大小对其进入肠道有重要影响,粒径越小,肠道对其的吸收速度越快,吸收的数量也越多。


  2.5纳米材料对皮肤的影响


  纳米材料可以渗透皮肤引起皮肤的炎症反应。MENZEL等[27]用粒径为45~150nm长、17~35nm宽的纳米TiO2覆盖与人体皮肤最为相似的猪皮,8h后通过粒子诱发X射线荧光分析(PIXE)观察纳米TiO2在皮肤结构中的分布情况,实验结果证实纳米TiO2可以通过角质层进入到表皮下的颗粒层,尤其是在表皮生发层。OBERDORSTER[28]和SAUNDERS[29]也在毛囊角质层和毛乳头处发现了防晒霜中的超细TiO2颗粒的沉积。


  从目前的研究结果显示:纳米材料对皮肤渗透作用的特点主要是:①与纳米材料粒径有关,粒径越小越易渗透进入皮肤;②进入真皮的纳米材料性质决定了其对皮肤的刺激作用;③可以溶解的物质、金属等的浸提液、纳米颗粒较易渗透入皮肤。


  2.6纳米材料对细胞的作用


  纳米材料能够进入细胞并与细胞发生作用,主要是对跨膜过程和细胞分裂、增殖、凋亡等基本生命过程的影响和相关信号传导通路的调控,从而在细胞水平上产生一定的生物效应。研究[12]发现,材料的拓扑结构和化学特性是决定细胞与其相互作用的重要因素,某些纳米拓扑结构会促进细胞的粘附、铺展和细胞骨架的形成,但是在某些情况下,纳米拓扑结构会对细胞骨架分布和张力纤维的取向产生负面影响。赵宇亮等[12]发现碳纳米管容易进入细胞,并影响细胞结构,在低剂量下可以刺激肺巨噬细胞的吞噬能力,但在高剂量下,则严重降低肺巨噬细胞对外源性毒物的吞噬功能。


  对纳米TiO2的一系列研究结果揭示了纳米材料可能的细胞毒作用机制:①攻击细胞膜,使其破裂,使细胞坏死。LIPPMANN等[30]发现,纳米TiO2处理的细胞,可以检测出大量的钙离子,说明细胞膜的破裂,钙离子的渗出。②利用纳米TiO2超微性进入细胞质,高化学活性又使其具备氧化损伤细胞遗传物质的能力。WAMER等[31]的实验证明,纳米TiO2损伤人体纤维原细胞的核酸,将纳米TiO2作用后的细胞分离出RNA和DNA,在RNA中可以检测到8-羟基鸟苷的生成。由于RNA负责遗传信息从DNA到蛋白质的传递,纳米TiO2对RNA的损伤间接影响了细胞遗传信息的表达。③抑制细胞生长和增殖。YEATES等[32]用47nm粒径的纳米TiO2培养细胞系Bel-7402人肝癌细胞,发现细胞系G1期细胞数明显增加,S期数量减少,即纳米TiO2通过阻止细胞从G1期进入S期,通过影响细胞周期抑制细胞生长。④引起细胞凋亡。WANG等[33]用粒径<20nm的TiO2作用于纤维原细胞,通过透射电子显微镜(TEM)观测其形态变化,凝胶电泳观察DNA的变化,发现细胞核核仁消失,细胞膜起泡,形成小体,DNA出现梯状的随机断裂,从而证实了纳米TiO2引发细胞凋亡的理论推测。


  2。7纳米材料对DNA的损伤作用


  8-羟基脱氧鸟苷是DNA氧化损伤的标志物,是鸟嘌呤上的C-8位受到攻击的产物。JUVIN等[34]用320~400nm的紫外线照射在纳米TiO2溶液中的小牛胸腺DNA,用高效液相色谱仪(HPLC)分析反应后的小牛胸腺DNA,发现有8-羟基脱氧鸟苷的生成,从而验证了纳米TiO2对DNA的氧化损伤作用。


  LUNDBORG等[35]用含有纳米TiO2的防晒化妆品作用于核酸PBⅡDNA,介于300~400nm的紫外线照射,通过DNA凝胶电泳分析,发现了DNA的解旋与断裂。


  ASHIKAGA[36]等采用超螺旋pBR322DNA作为作用对象,将其与一定浓度的纳米TiO2混合,采用波长在365nm左右的黑灯提供紫外光照35.5min,通过柯达显像密度计分析,得到了有25%左右的DNA产生解旋的试验结果。在同样的实验条件下,如果提高光照的强度与光照时间,DNA的解旋率必然会增加。


  综上所述,纳米材料具有一定的生物活性,可以通过呼吸系统、消化道和皮肤进入机体。纳米材料可以沉淀在呼吸系统引起炎症反应;可损伤AM致肺清除功能下降,引发肺部慢性炎症病变和氧化损伤;可以从沉淀部位向周围组织弥散,穿透血气屏障进入循环系统;还可穿透血脑屏障和经嗅神经通路导致脑损伤。


  由于纳米材料种类繁多,理化性质各不相同,即使同一种纳米材料不同粒径也会出现不同的生物效应。因此,对每年不断涌现的新型纳米材料进行生物安全性评价就显得尤为紧迫和必要,对合适的研究模型和高通量筛选的方法以及系统的人群流行病学调查将成为纳米材料生物安全性评价体系建立的下一步研究重点。


  (致谢:特别感谢胡天锡教授、顾祖维教授、应贤平主任医师、吴世达主任医师、陈良主任医师和贾晓东博士对本文提出的宝贵意见。