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1、医学纳米材料毒理学研究进展刘魁，岳霞，赵进顺【摘要】随着纳米技术的发展，纳米材料由于其独特的理化特性已经在医学领域被广泛应用。纳米材料用于医学领域有诸多特性:第一，纳米材料具有细微的粒径和较大的比表面积;第二，纳米材料通过静脉和皮下注射的途径进入人体后可以与体内的生物大分子相互作用。但以上的特性也可能产生不利影响。本文总结了常见纳米材料的毒理学研究进展并为这些知识在纳米医学中的应用提供依据。【关键词】纳米结构;发病率;毒理学【中图分类号】R994 6【文献标识码】A【文章编号】1674-3679(2013)01-0072-05Progress in research on toxicology
2、 of nanomaterials used in nanomedicineLIU Kui，YUE Xia，ZHAO Jin-shunDepartment of Preventive Medicine，Ningbo University，Ningbo315211，China【Abstract】Due to the development of nanotechnology，nanomaterials have been widely used in the field of medi-cine Owning to its unique physical and chemical charact
3、eristics，the application of nanomaterials to the medical field willhave many advantages Firstly，nanomaterials have subtle particle size and enormous surface area Secondly，in the appli-cation of the nanomaterials，it usually enter the human body by way of intravenous and subcutaneous injection，these p
4、arti-cles can interact with biological macromolecules in the human body easily The most important thing is that insoluble nanop-articles may be gathered in the specific tissues and organs of the human body However，these characteristics may also beadversely affected This review summarizes the progres
5、s of toxicology studies of the common nanomaterials and provides ba-sis for the application of this knowledge in nanomedicine【Key words】Nano materials;Incidence;Toxicology(Chin J Dis Control Prev 2013，17(1):72-76)【基金项目】国家自然科学基金(81273111);宁波市自然科学基金(2012A610185)【作者单位】宁波大学医学院预防医学系，浙江 宁波315211【作者简介】刘魁(1
6、987 )，男，安徽芜湖人，在读硕士研究生。主要研究方向:环境与职业流行病学。【通讯作者】赵进顺，E-mail:zhaojinshun nbu edu cn近年来，随着纳米科学技术的飞速发展，纳米材料已经广泛运用于化工产业、生态农业、有机食品加工业以及医疗行业等多个领域。纳米材料指粒径范围在 1 100 nm 的颗粒1，2。纳米材料在医药领域可用来制造仿真器官、造影剂以及药物载体等3，4。脂质体、聚合体、量子点、氧化铁和碳纳米管等是目前运用较多的纳米载体5。尽管纳米材料拥有许多优良理化特性，如具有细微的粒径和较大的比表面积等，但毒理学家们担心，正是这些特异的理化特性可能由此带来更大的健康和环境
7、危害6。在纳米医学应用中，纳米材料通过静脉或皮下注射的途径进入人体后与体内生物大分子相互作用，在暴露途径上与传统毒理学不同。因此，了解这些纳米材料的毒性及其在人体内的分布、代谢、转归及蓄积情况，就显得尤为紧迫和重要。本文就目前常见的纳米材料尤其是纳米医学材料的分类，毒代动力学、急性和慢性毒性、致癌性、生殖和发育毒性等进行综述。1纳米材料的分类及样品制备纳米材料按化学组成的不同可分为:有机纳米材料和无机纳米材料;按粒径形状的不同可分为:纳米纤维、纳米线、纳米棒、纳米卷、纳米管、以及纳米球等。美国环保署将纳米材料分为以下几种类型:(1)含碳纳米材料，包括单层碳纳米管(single-walledca
8、rbon nanotubes，SWCNTs)和多层纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs)以及富勒烯 C60等。(2)金属纳米材料，包括量子点(quantum dots，QD)、纳米金颗粒(gold nanoparticles，GNPs)、纳米银(Nano-Ag)以及纳米金属氧化物等。(3)生物纳米材料，包括蛋白质、核酸以及碳水化合物等。(4)纳米陶瓷，是指由氧化物和非氧化物的陶瓷材料组成，如硅酸盐和金属氧化物。(5)纳米复合物，指纳米颗粒结合其他纳米颗粒或常规颗粒的复合物。(6)纳米聚合物。纳米样品的制备通常利用超声方式来进行颗粒27Chin J D
9、is Control Prev2013Jan;17(1)混匀。将纳米样品选择相应试剂进行实验浓度配置之后，将样品在冰上放置超声7，8。超声目的是让纳米颗粒尽量混合均匀，避免粘连。2纳米材料的毒代动力学2 1吸收医药领域中纳米颗粒暴露的主要途径包括:呼吸道、消化道、皮肤以及静脉和皮下注射。颗粒因粒径的不同会沉积到呼吸道的不同部位，研究发现粉尘空气动力学直径 100 nm 的颗粒易于到达肺泡腔内9。这提示纳米颗粒对呼吸系统造成的毒性可能比常规粒径大。研究表明，沉积在肺部的可溶性的纳米颗粒可以吸收并进入循环系统，而不溶性的纳米颗粒会被肺巨噬细胞吞噬并转移到肺泡间隔或进入淋巴管。Zhu 等10 通过气
10、管灌注59Fe2O3纳米颗粒，研究发现该纳米颗粒能通过血气屏障进入血液并最终分布到不同的组织和器官中。其他相关试验证明尽管纳米颗粒有可能经肺进入血液，但剂量很低11。Hillyer 等12 给小鼠灌胃胶体GNPs，发现较小的粒径更容易通过胃肠道途径吸收。尽管在环境和职业生活中，经皮肤吸收的纳米颗粒量比通过其他途径吸收的要少得多，但在纳米医药领域经皮肤吸收却是一个很重要的途径13。Gulson 等14 发现防晒霜的纳米氧化锌(Nano-ZnO)中的部分锌离子可以通过人类皮肤吸收。另外，在纳米医学中，纳米颗粒常作为医用显影剂被直接注射进入人体，因此静脉和皮下注射的途径就显得更为重要15，所以通过这
11、种途径而进入机体的纳米颗粒的生物毒性需要重新评估。22代谢迄今为止，尚无证据显示进入血液循环的纳米颗粒可以在体内发生改变，但一些颗粒的化学形式可能发生改变。例如，功能性 QD 的蛋白质帽能被蛋白酶切除16;惰性纳米颗粒像金和银，富勒烯 C60纳米管功能基团被代谢等。Kagan 等17 通过体外细胞培养发现，中性粒白细胞髓过氧化物酶活性基团中间产物可以引起 SWCNTs 的部分降解，巨噬细胞也有类似的功能，但作用较小。2 3分布分布是指化学物或颗粒物从吸收部位转移到身体的其他部位的过程。纳米颗粒进入体内循环后能与血浆蛋白、凝血因子、血小板以及红细胞和白细胞等相互作用。粒径 200 nm 的颗粒能
12、通过血 脑 屏 障18，另 外，GNPs 和 纳 米 二 氧 化 钛(Nano-TiO2)能进入红细胞，由于红细胞没有吞噬功能，这就提示纳米颗粒可能是通过细胞膜直接进入细胞，而不是通过内吞作用19。2 4蓄积和排泄纳米颗粒常见的蓄积器官可能有:肺、血液、骨髓、肾脏、肝、肠、胸腺、内脏、心脏、脾脏和脑。Chen 等20 实验发现 Nano-ZnO 进入人体后主要滞留在肺部，部分以粪便形式排出。Sabbioni等21 实验显示 GNPs 能均匀分布到血浆和红细胞，心脏是蓄积浓度最高的器官而其他器官则较少，GNPs 主要通过尿液排泄。Liu 等22 实验显示小鼠肝脏、肾脏和嗅球是纳米铜(Nano-C
13、u)的主要聚集部位。Nano-TiO2清除主要通过尿液和胆汁23。Lee 等24 发现静脉注射 Nano-Ag 颗粒 28 d 后，受试兔子体内以肝脏和脾脏为主要蓄积器官，而尿液和粪便为主要排泄器官。3急性和慢性毒性纳米材料的急性和慢性毒性至今为止尚未进行过系统研究。晶体硅具有致癌性并能引起炎症反应和纤维化等25。然而实验证实纳米硅是无毒性的，这意味着纳米硅能将药物传递到靶器官并对其他器官和组织产生较小的副作用26，因此在生物医药领域纳米硅常以药物载体的形式出现。通过大鼠静脉给药模型，Nishimori 等27 发现 70 nm 的 Nano-TiO2能造成血清中肝损伤标记物的出现并可进一步诱
14、导肝细胞纤维化，而粒径在 300 1 000 nm 之间的颗粒反而未观察到相关标记物的变化，该研究提示较小粒径的 Nano-TiO2具有肝毒性27。Shukla 等28 研究也发现较低浓度的 Nano-TiO2作用于人类肝细胞会造成氧化 DNA 损伤，该研究同时发现实验组的促凋亡基因，如 p53、BAX、Cyto-c、Apaf-1、caspase-9、caspase-3 等表达上升并伴随 Bcl-2 抗凋亡基因表达的下降。近年来，GNPs 颗粒的组织聚集性取决于纳米颗粒暴露剂量，但在后期评估中却没有发现 GNPs颗粒引发细胞毒性的相关证据29，另一个毒性研究中也没有发现任何临床症状和组织病理学
15、改变30，因此对于 GNPs 毒性的检测需要通过进一步的体内试验来完善。通过小鼠腹腔巨噬细胞 MTT 实验，Shavandi 等31 发现经 Nano-Ag 染毒的实验组与相应的对照组相比，细胞生存力明显下降。碳纳米管(CNTs)包括 SWCNTs 和 MWCNTs，其中 SWCNTs 是粒径为 1 nm 的单原子厚度的石墨层组成的管状结构，而 MWCNTs 是指粒径为两层或更多层的石墨原子组成的管状结构32。两者都能诱导产生细胞毒性、氧化应激以及细胞凋亡和坏死，其中经呼吸道途径吸入碳纳米管甚至会引起肺部肉芽肿炎症和持续性肺组织纤维化33，34。综上所述，应用于医药领域的纳米材料的急性和慢性毒
16、性研究已经取得一定进展但缺乏系统性的研究。37中华疾病控制杂志 2013 年 1 月第 17 卷第 1 期4致癌性近年来，纳米颗粒致癌性研究已经取得了长足的发 展。通 过 大 鼠 静 脉 内 滴 注 Nano-TiO2，Pott等35 发现亲水 Nano-TiO2颗粒组中肺部腺瘤和上皮细胞瘤的发生率达 52.0%69 6%;锐钛矿Nano-TiO2组中达 29.5%63.6%;而不做相关处理的对照组为 0%，它们之间的差异具有统计学意义。基于以上相关的研究内容，国际癌症研究机构(international agency for research on cancer，IARC)把Nano-TiO
17、2颗粒对实验动物的致癌性定位为有充足证据，但 Nano-TiO2在人群中的致癌性依旧缺乏流行病学数据。Heinrich 等36 通过大鼠气管内灌注炭黑纳米颗粒(carbon black nanoparticles，CBN)发现肺癌的发病率高达 39%，与对照组(0 5%)肿瘤发病率的差异有统计学意义。Warheit 等37 通过大鼠实验发现 SWCNTs 能在肺部生成多病灶肉芽肿，但没有发现肿瘤，Lam 等38 通过小鼠气管内灌注SWCNTs 也得到了相似结果。而关于 MWCNTs 的最新实验结果显示，通过小鼠吸入途径给药没有发现肿瘤产生39。但也有实验得出相反结论，研究者通过对雄性小鼠腹腔内
18、注射 MWCNTs 观察到间皮瘤发病率(87 5%)与对照组发病率差异有统计学意义，表现为实验组发病率上升40。综上所述，Nano-TiO2、CBN、SWCNTs 以及 MWCNTs 的致癌效应已经得到较多的评估。Nano-TiO2和 CBN 的动物实验结果证实这两种物质有致癌性，SWCNTs 实验中没有发现可以证实其致癌性的相关数据，而对于MWCNTs 的致癌性尚需进一步通过动物实验来确证，其他纳米颗粒的致癌性仍然缺乏有效数据。5生殖和发育毒性迄今为止，纳米颗粒的生殖和发育毒性研究相对较少。Zhu 等41 研究发现 Nano-TiO2对大型蚤产生的生殖毒性和其暴露时间存在相关关系。刘红云等4
19、2 发现 Nano-ZnO 对斑马鱼胚胎的发育毒性会随浓度的增加而增大并存在浓度依赖关系。Takeda等43 通过给怀孕的小鼠皮下注射 Nano-TiO2发现该颗粒可以对其雄性子代生殖和神经系统的发育产生影响，这提示 Nano-TiO2能穿透血睾屏障并影响雄性子代的每日产精量(daily sperm production，DSP)和调控中枢神经系统发育有关基因的表达。Yoshida 等44 通过在小鼠怀孕的第 7 d 和第 14 d 气管内灌注 CBN，试验结果显示雄性子代在其出生后的第 5、10、15 周其 DSP 出现明显下降，提示在胚胎期暴露 CBN 会影响雄性小鼠的生殖功能。研究SWC
20、NTs 和 MWCNTs 的发育毒性实验通常利用斑马鱼的胚胎来完成，相关实验显示当暴露 SWCNTs的浓度达到或超过 240 mg/kg 时会使孵化延迟45。生殖毒性常使用赤子爱蚯蚓来研究，Scott-Fords-mand 等46 研究 MWCNTs 对赤子爱蚯蚓的生殖毒性时发现当 MWCNTs 浓度达到 37 mg/kg 时，赤子爱蚯蚓的生殖功能受到影响。Park 等47 通过对小鼠胚胎干细胞进行纳米二氧化硅(Nano-SiO2)染毒实验发现，Nano-SiO2能抑制干细胞分化为心肌细胞并存在剂量依赖关系，而该实验中的另外两个较大粒径组却没有发现相应的毒效应，该实验中干细胞的分化抑制发生在细
21、胞毒性聚集之后，这意味着纳米颗 粒 对 胚 胎 干 细 胞 的 分 化 有 特 殊 的 效 应。Wiwanitkit 等48 研究 GNPs 对人类精子的影响，发现新鲜精子的运动性和形态学发生改变，镜下发现25%的精细胞没有运动性并伴有 GNPs 渗透到精子的头部和尾部以及精子的裂解。6总结纳米颗粒在医学领域的应用正在逐步增加，但其可能对人体和环境带来的危害以及毒理学机制并没有得到充分的认识。纳米材料相对于其他常规材料拥有许多独特的理化属性，如细微的粒径、较大的相对比表面积、独特的晶体结构以及磁性和电荷属性等，虽然这些属性没有经过系统的研究并同时受当前技术的制约，但是现有研究提示这些特性均有可
22、能产生毒效应49-51。与此同时，传统毒理学评价方法应用于纳米材料毒理学评价时也面临着巨大的挑战，首先传统毒理学评价方法主要基于物质的纯度梯度及物理状态等作为研究条件，而纳米材料毒理学还需要考虑粒径尺寸、比表面积、表面电荷、晶体磁性以及溶液分散度等因素，这些都加大了研究的难度和复杂性。其次，纳米材料毒理学不同于传统毒理学中对毒物的研究，其需要考虑更多的现实意义，如纳米颗粒与常规颗粒混合状态下的毒作用以及与其他纳米颗粒的交互作用，因为这更符合职业场所纳米材料颗粒暴露现状。同样在研究方法上也面临挑战，如 Ames 实验常用来检测毒物的基因毒性，而当其运用于纳米材料毒理学领域时，其研究结果往往是阴性
23、的，并与同类实验结果相违背，这提示该方法可能不适用于纳米毒理领域52-54。虽然纳米材料毒理学研究面临众多挑战，但现有的研究表明，纳米颗粒进入人体的途径包括呼吸道、胃肠道、皮肤接触以及静脉和皮下注射。其中静脉和皮47Chin J Dis Control Prev2013Jan;17(1)下注射纳米颗粒是纳米医学中特有的暴露途径，因此需要引起足够的重视。纳米材料的代谢、组织分布、体内蓄积以及消除都受许多因素影响，所以需要通过系统全面的毒理实验来进行阐述。因不同纳米材料属性的不同，在急性和慢性毒性、致癌性以及生殖发育毒性等方面肯定存在差异。同种纳米颗粒实验结果的不一致性可能是由于纳米颗粒的纯度以及
24、动物品系或细胞种类不同所致。总之，开展一系列针对不同纳米材料尤其是医用纳米材料的毒理学系统评估是必要的，由此才能保证纳米材料在医学领域中的健康应用。【参考文献】1Morimoto Y，Kobayashi N，Shinohara N，et al Hazard Assess-ments of Manufactured Nanomaterials JJ Occup Health，2010 2Oberdrster G，Stone V，Donaldson K Toxicology of nanoparti-cles:a historical perspective J Nanotoxicology，20
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