納米材料的毒性效應研究

納米材料的毒性效應研究

0納米生物效應與安全性的研究納米顆粒是指直徑為1.10納米的材料。它在導電、反應和光澤方面表現(xiàn)出許多令人難以置信的特性。近年來,隨著納米科技的迅猛發(fā)展,各種人造納米材料已經(jīng)在醫(yī)藥、化妝品和電子等產(chǎn)品中廣泛使用。納米材料既可以造福人類,也可能給環(huán)境和人體健康帶來影響。然而,納米材料的生物安全性現(xiàn)在還是未知數(shù),關(guān)于它對健康的影響也還沒有成熟的分析方法。據(jù)美國紐約羅切斯特大學研究人員的實驗顯示,實驗鼠吸入納米材料可能對多個臟器和中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。雖然現(xiàn)在人們還不知道納米粒子進入大腦并堆積起來會產(chǎn)生何種影響,但是納米物質(zhì)應用的安全性早就被那些對納米研究持謹慎態(tài)度的學者所重視。有些科學家甚至提出,為保證人類健康和環(huán)境安全,應暫停納米材料研究。著手研究納米材料的安全性,并不是因為納米材料已經(jīng)引發(fā)了什么安全問題,而是要為這種新材料廣泛應用于日常生活作準備。美國、英國和日本等國多年前就已致力于富勒烯、單壁和多壁碳納米管以及氧化鈰納米材料的安全性評估。進入21世紀,我國開始高度關(guān)注納米生物效應與安全性的研究。目前,中國科學院高能物理所以大科學平臺為中心,結(jié)合核分析重點實驗室長期開展的稀土和重金屬生物效應、有機鹵素毒理及環(huán)境毒理學研究的豐富經(jīng)驗,已從生物整體水平、細胞水平、分子水平和環(huán)境等幾個層面開展納米生物效應的研究工作。預計在未來的研究中會有更多的人員加入這一行列,這預示著納米技術(shù)研究和材料應用即將進入一個新時代。1納米材料的毒性研究納米材料主要具有4個方面的效應,即小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應,由這些效應可導致異常的吸附能力、化學反應能力、分散與團聚能力等,其特性與大塊的材料有明顯區(qū)別。例如一般的微米Cu粉被認為是無毒的,但研究發(fā)現(xiàn),納米Cu粉對小鼠的脾、腎、胃均能造成嚴重傷害,而相同劑量的微米Cu粉卻沒有損害。納米材料具有的獨特理化性質(zhì)決定了其毒理學研究的特點,諸多研究已表明納米物質(zhì)可能具有與常規(guī)尺寸物質(zhì)不同的毒性。首先,納米顆粒結(jié)構(gòu)微小,能夠輕易進入機體,并能穿透細胞膜,引起類似環(huán)境超微顆粒所致的炎癥反應。一般理論認為,同一化學物的納米級顆粒與微米級顆粒相比,其致炎性和致腫瘤性等毒性可能更大。其次,納米材料的比表面積巨大,具有高表面活性。該特性一方面有利于將其運用于環(huán)境污染物的化學和(或)生物降解,另一方面可能導致其對生物體毒效應的放大。再次,納米材料的主要暴露途徑是通過呼吸道或皮膚。最后,通過對納米材料的表面進行化學修飾可以降低顆粒的聚集傾向和毒性。把納米材料放在環(huán)境中來考慮,將發(fā)現(xiàn)它們有許多共同的環(huán)境和生態(tài)特征,歸納為如下幾點:生物大分子的強烈結(jié)合性、生態(tài)系統(tǒng)的潛在蓄積毒性、多種污染物的組合復合性;擴散和遷移的傳播廣闊性。影響納米材料毒性的因素很多,如顆粒大小、數(shù)目、濃度、表面積、物理性質(zhì)、化學性質(zhì)等。由此可見,納米材料的本身特性決定了其會對生物體及生態(tài)環(huán)境造成污染,從而危及人類健康。同時,納米材料的生物安全性研究還牽涉到環(huán)境保護、社會安全、倫理道德等許多方面。所以,世界衛(wèi)生組織呼吁要優(yōu)先研究納米尺度顆粒物的生物效應。2納米顆粒的潛在毒性納米材料主要通過呼吸系統(tǒng)、皮膚接觸、食用和注射及在生產(chǎn)、使用、處置過程中向環(huán)境釋放等途徑向生物體和環(huán)境暴露而產(chǎn)生威脅。首先,納米顆粒通過呼吸系統(tǒng)被生物體吸收。如研究人員和工廠的工人容易暴露在納米顆粒濃度高的空氣中,主要以被動擴散方式通過細胞膜吸收,由于其粒徑非常小(1~100nm),所以其布朗運動速度很快,主要附著于肺泡和較大的支氣管內(nèi)。附著在肺泡表面的難溶顆粒,有的被滯留,以致引起病變;有的可到達淋巴腺或隨淋巴液到達血液,可能具有較高毒性。近來多項研究發(fā)現(xiàn),納米材料可以在動物的呼吸道各段和肺泡內(nèi)沉積,并且可以致明顯的肺泡巨噬細胞(AM)損傷。其次,皮膚是人類阻擋外源污染物質(zhì)的重要屏障系統(tǒng),污染物主要通過表皮脂質(zhì)屏障經(jīng)皮膚吸收。如皮膚吸收通常發(fā)生于使用含TiO2或ZnO納米顆粒的化妝品。再次,食用和注射難溶性藥物的消化道吸收率和藥效與藥物的粒徑呈負相關(guān)關(guān)系也人所共知。然而,科學家們發(fā)現(xiàn)藥物制劑的粒徑變小而其毒副作用卻得到不同程度的增大。常規(guī)藥物被納米顆粒物裝載后,急性毒性、骨髓毒性、細胞毒性、心臟毒性和腎毒性明顯增強。最后,針對在生產(chǎn)、使用、處置過程中向環(huán)境釋放,有研究者提出,納米顆粒難溶于水,故不必擔心其會污染地下水環(huán)境。但有研究發(fā)現(xiàn),由于納米碳管具有相當大的表面積,所以其他種類的分子能夠吸附在碳管上,并通過地下水作用將污染物大面積傳播,導致環(huán)境惡化。也有研究表明,C60是一種親水的納米材料,可以在沒有任何表面處理的情況下于水中形成膠體樣物質(zhì),其溶解度是多環(huán)芳烴(PAHs)在水中溶解度的100余倍,而水中很低濃度的PAHs也會對環(huán)境產(chǎn)生影響,因此推測C60可能具有相似的屬性,因此有必要評價水環(huán)境中可能存在的納米顆粒的理化特性。除了暴露途徑,暴露劑量是另一個重要的問題。納米尺寸是決定納米顆粒毒性的一個因素,但是納米顆粒的總表面積(由尺寸和總劑量決定)也非常重要。表面反應活性低的納米顆粒對人類和其他動物的潛在毒性與暴露的劑量和途徑有關(guān)。因此,盡量減少以及準確確定暴露的劑量十分關(guān)鍵。但是,由于納米顆粒的團聚特性,目前還很難準確測定人或生物在某一環(huán)境中對某一尺寸的暴露劑量。從長遠看,隨著納米材料的廣泛應用,通過大氣、水和土壤等途徑將不可避免地造成對整個生態(tài)系統(tǒng)的暴露。因此有必要對納米材料的生物效應進行研究,建立納米材料安全性研究體系,以評價其環(huán)境和健康風險。3納米中毒的機制納米材料產(chǎn)生毒性效應的可能機制有自由基機制、分子機制和免疫機制等。3.1納米顆粒物代謝有關(guān)納米材料的各種體內(nèi)和體外化學試驗都表明可以產(chǎn)生活性氧自由基,如量子點、單壁碳納米管、C60富勒烯、超細顆粒物等,暴露于光、紫外線、過渡金屬的條件下均可生成ROS。粒徑和化學組分不同的各種納米顆粒物也會影響線粒體的代謝,因為線粒體是自由基活化組織,因此可能改變ROS的產(chǎn)生,負載或干擾機體抗氧化防御機制。如C60富勒烯作為產(chǎn)生超氧自由基的標準納米顆粒物,其確切的發(fā)生機制可能包括:納米顆粒物產(chǎn)生的光激發(fā)促使系統(tǒng)內(nèi)自由電子的產(chǎn)生;納米顆粒物的代謝產(chǎn)生自由基活化介質(zhì),特別是這種代謝是經(jīng)細胞色素P450誘導的;體內(nèi)炎癥反應可能導致巨噬細胞釋放氧自由基。3.2超氧化衍生物及細胞骨架納米顆粒沉積在肺部后,可能破壞細胞膜或直接通過細胞膜進入細胞內(nèi)部,并與細胞內(nèi)的脂質(zhì)、蛋白和核酸等生物大分子相互作用,改變生物大分子的構(gòu)型和構(gòu)象,從而改變生物大分子的相應功能。Christie等研究了水溶性富勒烯衍生物對細胞膜的損傷作用,發(fā)現(xiàn)富勒烯衍生物能產(chǎn)生超氧陰離子。這些自由基通過脂質(zhì)過氧化破壞細胞膜,使細胞喪失正常的功能,但DNA的質(zhì)量濃度和線粒體的活力沒有受到多大影響。細胞骨架由蛋白纖維組成,具有支撐細胞、物質(zhì)轉(zhuǎn)運、信息傳遞、細胞增殖和輔助基因表達等功能。Moller等研究了幾種納米顆粒對巨噬細胞骨架的影響,發(fā)現(xiàn)高質(zhì)量濃度的納米顆粒會使細胞骨架的正常功能喪失,表現(xiàn)為阻止細胞間的物質(zhì)轉(zhuǎn)運,增加細胞的硬度,破壞巨噬細胞的吞噬能力,妨礙細胞增殖,導致肺部慢性炎癥。目前建立的毒理學機制理論較多,彼此之間存在著一定的矛盾。但一般而言,納米材料的生物效應主要與納米顆粒本身性質(zhì)(如質(zhì)量、粒子數(shù)、粒徑、表面積等)及納米粒子表面修飾(吸附、鍵合、載帶等)有關(guān)(見圖1)。4納米顆粒的安全性評價近年來,納米技術(shù)和納米材料所帶來的經(jīng)濟收益和技術(shù)進步相當?shù)目捎^,這種新材料和新技術(shù)可能帶來的生物安全性方面的影響和相關(guān)的研究也逐漸被認識和重視。美國環(huán)境保護機構(gòu)(USenvironmentalprotectionagency)已確認了一些關(guān)于納米顆粒安全性評價的課題,如人造納米顆粒的毒理學,使用已知顆粒和纖維的毒理數(shù)據(jù)外推人造納米顆粒毒性的可能性,人造納米顆粒對環(huán)境和生物的傳送、持續(xù)和轉(zhuǎn)化等。英國政府也要求皇家學會和皇家工程院研究納米技術(shù)可能造成的倫理和社會問題,在一定期限內(nèi)發(fā)布研究報告。國內(nèi)也有一些研究人員較早地認識到這一方面研究的重要性,并開展了一些初步的研究與探討。4.1cdse法上的量測首先是碳納米管的毒性研究,由于單壁碳納米管在機械和電子磁性方面有優(yōu)越的性質(zhì),因此有著廣泛的應用和商業(yè)價值。未被處理過的碳納米管非常輕,有可能通過空氣到達人的肺部。因此,單壁碳納米管對于環(huán)境和生物的安全性也最先被人們注意。在單壁碳納米管肺部毒性研究方面,美國NSAJohnson空間中心的ChiuWingLam等和美國杜邦公司的DavidB.Warheit等已經(jīng)做出了相關(guān)的研究。其次,納米量子點是研究重點,它的特征是材料的尺寸在三維方向上均小于電子的自由程,因此在這種材料中電子在空間的運動受到限制,在不同方向上的電子能級都是離散的,從而表現(xiàn)出一些獨特的性質(zhì),如電子隧道效應、單色光發(fā)射等。量子點由于具有獨特的熒光效應,廣泛用于生物學標記,因此,量子點的毒性問題也隨之產(chǎn)生。量子點的毒性主要取決于量子點的材料組成、量子點的大小和表面修飾情況等。美國加州大學SanDiego分校的AustinM.Derfus等發(fā)現(xiàn),以CdSe為核心的半導體量子點在某些情況下有很強的毒性。當合成半導體量子點的時候改變參數(shù),暴露在紫外線下和表面修飾后,量子點的細胞毒性會有所變化。進一步研究揭示了細胞毒性與自由Cd2+的釋放有關(guān)。當經(jīng)過合適的修飾,以CdSe為核心的半導體量子點可變得無毒并且可在體外進行細胞移植和重組。美國CaseWesternReaserve大學的研究人員對包含DNA的納米顆粒進行了毒性研究,將DNA壓縮在多聚L-賴氨酸內(nèi),然后包在納米顆粒中,用聚乙烯乙二醇將這種納米顆粒修飾在半胱氨酸的N端,這樣做可以有效地通過某種途徑轉(zhuǎn)染上皮細胞。在10g的劑量下,DNA納米顆粒沒有出現(xiàn)可察覺到的毒性,并且在這個劑量上有最高的基因表達。這個比較好的毒性測試結(jié)果有助于控制穩(wěn)定的壓縮DNA的發(fā)展。4.2急性經(jīng)口毒性研究我國關(guān)于納米材料毒性相關(guān)研究還很缺乏,盡管已經(jīng)取得了一些初步的研究結(jié)果,但與納米材料研究相比尚處于起步階段。納米材料的生物安全性研究不僅對人體健康具有重要意義,而且還牽涉到勞動保護、資源利用等許多方面,所以應該引起我國政府的高度重視。首先是納米磁性材料的研究,由于納米磁性材料是一種磁性強、制備相對簡單、生物相容性較好的材料,因此在生物醫(yī)學領域有著廣泛應用。東南大學醫(yī)學院新藥臨床前藥理基地對由表面包覆谷氨酸分子的球形γ-Fe2O3和Fe3O4磁性納米顆粒制成的抗癌材料進行了毒性檢測,未見Fe2O3磁性納米材料對哺乳動物體細胞及生殖細胞有遺傳毒性作用,在連續(xù)給藥14天后,該材料無毒性反應劑量是人體推薦注射量(國內(nèi):0.56~0.84mg/(kg·次))的10倍以上;而Fe3O4磁性納米顆粒無體細胞致突變作用,但經(jīng)口染毒可能會對雄性生殖細胞有致突變作用。湖南大學的李杜等對無機硅殼類納米顆粒進行了細胞毒性的研究,利用無機SiO2納米顆粒(SiNP)、SiO2殼熒光納米顆粒(FSiNP)以及SiO2磁性納米顆粒(MSiNP)對美洲綠猴腎細胞、鼻咽癌細胞系和乳腺癌細胞系進行了毒性研究。結(jié)果表明,在有效濃度范圍內(nèi),無機硅殼類納米顆粒具有很好的生物相容性,對細胞的生長和代謝沒有明顯影響,從而為無機SiO2納米顆粒在生物醫(yī)學中的應用提供了一定的理論依據(jù)。賈元宏等對一種以納米硅基氧化物(SiO2-x)、納米載銀抗菌粉、納米載鋅抗菌粉為主要成分的復方抑菌劑進行了抑菌效果和毒性試驗。結(jié)果表明,該抑菌劑對雌、雄小白鼠口服LD50均大于5000mg/kg,按急性經(jīng)口毒性評價標準,屬實際無毒物質(zhì);在家兔急性皮膚刺激試驗中,未見紅斑、水腫和其他異?，F(xiàn)象;而對大白兔進行眼刺激試驗后,3只出現(xiàn)輕度分泌物,且角膜、虹膜均正常,48h后恢復正常,屬無急性刺激性物質(zhì);小白鼠蓄積系數(shù)k>5,屬弱蓄積性物質(zhì)。此外,國內(nèi)外學者還對固體脂質(zhì)納米顆粒、納米聚四氟乙烯和碳顆粒、齒科樁釘用納米SiO2/S-Gf/EAM復合材料等的生物安全性問題進行了初步研究,取得了一些成果,但這些研究僅僅是納米材料中的很少一部分,而且研究中仍存在一些不足。納米材料生物安全性研究是一個典型的綜合性強的交叉學科領域,需要綜合利用各種研究方法和手段,才能有效地完成納米生物環(huán)境效應的研究。作為“科學技術(shù)的眼睛”的分析科學,在這項研究中有著極其重要的作用。傳統(tǒng)用于研究納米生物環(huán)境效應的方法,如MTT(一種黃顏色的染料)法(一種檢測細胞存活和生長的方法)適合常規(guī)物質(zhì)(如重金屬離子、有機污染物)的檢測,但不一定適合具有特殊性質(zhì)的納米尺度物質(zhì)的檢測。此外,這些傳統(tǒng)的檢測方法靈敏度不夠高,而且費時、復雜,不利于掌握和操作。近年來,光傳感器為生命科學、環(huán)境科學、材料科學的研究提供了許多新的、高靈敏度的分析手段,推動了這些學科理論和高新技術(shù)的發(fā)展。如用發(fā)光細菌的發(fā)光體系來研究存在于水體中的納米材料的生物效應;用綠色植物葉子的延遲化學發(fā)光來研究存在于大氣中的納米粉末對光合作用過程的影響等;并進一步研究納米材料的粒徑、濃度、形貌等對其生物環(huán)境效應的影響,從而建立起簡單、快速、靈敏地研究納米材料生物環(huán)境安全性的新方法和新技術(shù)。5納米材料的安全性評價綜上所述,納米材料已經(jīng)顯示出一些特殊的生物效應以及對人體和環(huán)境健康潛在的影響,但目前對納米材料的生物效應,尤其是毒理學與安全性問題,也只是對眾多納米材料中的少數(shù)幾種有所研究,且研究數(shù)據(jù)也很不全面。更重要的是,當我們討論納米材料的生物效應或毒性時,不能泛泛而言,必須明確材料的種類、形態(tài)、尺寸(粒徑)以及劑量等參數(shù)的影響。今后具體的研究重點應包括如下幾點:(1)從納米材料本身的性質(zhì)和包被出發(fā),可以發(fā)現(xiàn)在不同的外部條件下,如改變納米材料表面的電荷性質(zhì),相同的納米材料可能會出現(xiàn)不同的毒性,因此納米材料在不同的外部條件下發(fā)生怎樣的毒性改變,如何通過改變外在條