韓道寧，蘇秀蘭

（1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特010059；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 臨床醫(yī)學(xué)研究中心）

自1959年RichardFeynman首次在論文中提出納米的概念后，在世界范圍內(nèi)有關(guān)納米技術(shù)應(yīng)用和研究日益成為熱點(diǎn)。隨后由于納米技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用和發(fā)展的階段可分為納米顆粒粉體或者是納米相材料的階段（1990年前）、納米復(fù)合材料的階段（1990年～1994年）以及納米組裝配件人工材料階段（1994年～今）。

納米材料是一種以微孔顆粒直徑小于100nm的新型納米顆粒作為基礎(chǔ)和單位而組織起來的一種高效綜合的材料，主要有納米金屬材料、納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷性材料及其他納米生物醫(yī)療材料等，且隨著人們對(duì)于納米材料技術(shù)研發(fā)的進(jìn)一步深入，越來越多的納米材料陸續(xù)合成。納米材料應(yīng)用必須具備的特異性隧道效應(yīng)（小分子尺寸隧道效應(yīng)反射、外部空間表面尺度效應(yīng)反射、宏觀微粒空間量子限域尺寸隧道效應(yīng)反射、外部空間宏觀微粒量子限域隧道尺寸效應(yīng)和介質(zhì)與電子無限域隧道效應(yīng)）進(jìn)一步發(fā)展引起了其自身獨(dú)特的外部空間結(jié)構(gòu)力學(xué)特性、理化結(jié)構(gòu)特征及對(duì)微生物的高度包容性，故廣泛應(yīng)用在塑膠涂料、電子及元器件、化妝品以及醫(yī)療藥物和其他醫(yī)療器械中的生物診斷等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。納米佐料（Nanoadjuvant）、聚合納米佐料以及碳納米顆粒已經(jīng)被廣泛使用。因此，納米材料在人類生活中扮演著越來越重要的角色，闡明其對(duì)人類健康潛在副作用至關(guān)重要。

氧化鈦（TiO2）是一種自然界中天然存在的金屬活性氧化物，以三種多晶型的礦石形式自然存在，即金紅石、銳鈦礦和板鈦礦[1]，銳鈦礦比金紅石型顯示出更高的活性，因此它在商業(yè)上的應(yīng)用更為廣泛。金紅石比其他兩種材料的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，銳鈦礦相和板鈦礦相分別在高溫下進(jìn)行加熱反應(yīng)時(shí)均可以將其轉(zhuǎn)化成金紅石，金紅石和銳鈦礦TiO2的晶相分別是一個(gè)四方晶相，而板鈦礦的晶相則是一個(gè)斜方晶相。此外，板鈦礦難以合成，據(jù)報(bào)道其具有較高的光催化活性。二氧化鈦納米粒子（TiO2NPs）被合成用于多個(gè)工業(yè)部門。在食品工業(yè)中，歐洲法規(guī)（EC）第1333/2008號(hào)，授權(quán)將氧化鈦稱為TiO2（E171）[2]并作為食品添加劑，其中包括銳鈦礦和金紅石兩種形式（歐盟委員會(huì)法規(guī)（EU）第231/2012號(hào)）。

作為廣泛應(yīng)用的一種新型納米材料之一，納米材料二氧化鈦（titaniumdioxidenanoparticles，TiO2NPs）已被用作奶酪、牛奶、冰激凌及糕點(diǎn)等食品產(chǎn)業(yè)的食品增白劑[3]，而且由于其自身反應(yīng)活性和滲透性較強(qiáng)，其應(yīng)用已經(jīng)逐步擴(kuò)大至日常涂料、塑料制品、紙張、藥物、醫(yī)療、化妝品、半導(dǎo)體光催化以及太陽能電池[4]等行業(yè)。近年來，由于新型納米顆粒的開發(fā)和生產(chǎn)增加，人們對(duì)納米顆粒的潛在人類健康風(fēng)險(xiǎn)提出了擔(dān)憂。大量TiO2NPs的應(yīng)用增加了人類暴露于TiO2NPs的可能性，TiO2NPs材料有幾種不同的方式進(jìn)入人體，如注射（血液循環(huán)）、吸入（呼吸道）、攝入（胃腸道）和皮膚滲透（皮膚）[5]。TiO2NPs既可以在食物鏈中進(jìn)行微生物的積累，且在其他水生動(dòng)物中還具有較高的微生物積累傾向，它既可以直接通過食物鏈的運(yùn)輸從一個(gè)物種直接轉(zhuǎn)移為其他物種[6]，同時(shí)還能夠通過體內(nèi)的血液循環(huán)從一個(gè)器官直接轉(zhuǎn)移至其他器官。

1 暴露于納米二氧化鈦的各個(gè)臟器的毒理研究

TiO2NPs的暴露主要是通過人體呼吸道、食管和與人體皮膚的血液接觸等三種主要途徑進(jìn)入人體，隨著血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入各器官及組織，并在體內(nèi)積聚，大量研究表明，小鼠在吸入或食入TiO2NPs顆粒后，TiO2NPs顆粒在肺、消化道、肝臟、心臟、脾臟、腎臟等部位積聚，并且會(huì)對(duì)各器官造成不同程度的影響，導(dǎo)致器官受累（見表1）。

表1 納米二氧化鈦毒性研究匯總Tab.1 Summarg of toxicitg studies of nano titanium dioxide

1.1 對(duì)肝臟的影響

一旦納米顆粒進(jìn)入體內(nèi)，它就可以分布到全身。肝臟是其主要分布的部位，Wang等人發(fā)現(xiàn)TiO2NPs（直徑80nm）經(jīng)口服用感染毒素后會(huì)導(dǎo)致大鼠中毒血液中谷氨苯丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶/酶和谷草氨酸轉(zhuǎn)氨酶的濃度水平明顯升高，并且在機(jī)體內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)不同程度的病理性肝臟損傷[7]。Zhou等人發(fā)現(xiàn)TiO2NPs（直徑25nm）經(jīng)口染毒后，大鼠血液中抗氧化酶的活性增加，肝臟、小腸組織中氧化產(chǎn)物增加，肝臟炎性因子水平增高[8]。

小鼠短期注射TiO2NPs后，肝臟某一部位的血管可能會(huì)嚴(yán)重出現(xiàn)腫脹，引發(fā)肝臟彌散性病變和局灶性改變等一系列的肝臟病變，肝細(xì)胞的線粒體發(fā)生腫脹和空泡變，甚至可能引起肝細(xì)胞的凋亡，TiO2NPs刺激的小鼠肝損傷的信號(hào)通路可能為：激活TLRs→NIK→IκB激酶→NF-κB→TNF-α→炎癥→細(xì)胞凋亡→肝損傷[9]。

1.2 對(duì)肺的影響

在生產(chǎn)、流通、使用和回收過程中，TiO2NPs易擴(kuò)散到空氣中。因此，工業(yè)或商業(yè)TiO2NPs可能成為大氣的一種常規(guī)成分。呼吸道成為吸入TiO2NPs的主要靶器官系統(tǒng)，增加損傷呼吸系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。研究結(jié)果表明，大鼠短時(shí)間內(nèi)吸入TiO2NPs可誘發(fā)嗜酸性粒細(xì)胞的氣道炎癥反應(yīng)，暴露TiO2NPs的細(xì)胞物質(zhì)可直接刺激肺部樹突細(xì)胞，在哮喘小鼠的模型中加重了肺部的神經(jīng)源性炎癥及氣道的高反應(yīng)性，從而引起肺泡內(nèi)蛋白質(zhì)總量、乳酸脫氫酶及葡萄糖-6-磷酸酶的活性增加[10]。大鼠研究表明，TiO2NPs會(huì)增加中性粒細(xì)胞向氣道浸潤(rùn)，導(dǎo)致肺組織的通透性增加和細(xì)胞的損傷[11]。TiO2NPs同時(shí)還可以降低肺泡巨噬細(xì)胞的吞噬活性，這可能會(huì)阻礙TiO2NPs和其他病原體從肺部的清除。TiO2NPs的暴露增加了上皮細(xì)胞對(duì)細(xì)菌和病毒感染的易感性。體外培養(yǎng)的人THP-1細(xì)胞源性巨噬細(xì)胞經(jīng)TiO2NPs處理后，PlGF、CXCL1、CXCL5和CCL3表達(dá)上調(diào)。這些結(jié)果表明TiO2NPs可引起嚴(yán)重的肺氣腫，這可能是由PlGF激活及相關(guān)炎癥途徑引起的[12]。吸入TiO2NPs會(huì)引起肺部炎癥，而這種炎癥在IL-1R和IL-1α缺陷小鼠中受到強(qiáng)烈抑制[13]。向成年雄性ICR小鼠氣管內(nèi)注射單劑量0.1或0.5mg-TiO2NPs（19～21nm），第3天、第1周和第2周收集肺組織進(jìn)行形態(tài)計(jì)量學(xué)、微陣列基因表達(dá)和通路分析，研究發(fā)現(xiàn)，TiO2NPs可引起肺氣腫、巨噬細(xì)胞聚集、肺泡間隔廣泛破壞、Ⅱ型肺細(xì)胞增生和上皮細(xì)胞凋亡。TiO2NPs誘導(dǎo)數(shù)百個(gè)基因的差異表達(dá)，包括激活細(xì)胞周期、凋亡、趨化因子和補(bǔ)體級(jí)聯(lián)。特別是，TiO2NPs上調(diào)胎盤生長(zhǎng)因子（PlGF）和其他趨化因子（CXCL1、CXCL5和CCL3）的表達(dá)，可能導(dǎo)致肺氣腫和肺泡上皮細(xì)胞凋亡[12]。

1.3 對(duì)腎臟的影響

小鼠在暴露于25nm和80nmTiO2NPs后，TiO2NPs侵入其腎臟時(shí)，其腎小管內(nèi)蛋白滲出，腎小球嚴(yán)重腫脹并產(chǎn)生血尿，尿素氮和肌酐水平顯著上升。由于暴露于TiO2NPs從而產(chǎn)生氧化應(yīng)激，蛋白質(zhì)物質(zhì)在許多遠(yuǎn)側(cè)小管的管腔和髓質(zhì)中的集合管中積累，近曲小管可以看到有高立方體嗜酸細(xì)胞，管腔狹窄，遠(yuǎn)曲小管有低立方體細(xì)胞，這表明TiO2NPs會(huì)引起小鼠腎小球腎炎[14]。

1.4 對(duì)脾臟的影響

對(duì)脾臟而言，小鼠短期腹腔注射TiO2NPs后，TiO2NPs在脾臟中積累最多，病理學(xué)檢查顯示，TiO2NPs會(huì)引起脾臟中的中性粒細(xì)胞發(fā)生嚴(yán)重病變，導(dǎo)致脾臟組織嚴(yán)重?fù)p傷，淋巴結(jié)病變、充血和增殖，最終引起脾細(xì)胞凋亡，這可能是由于阻塞血管，最終導(dǎo)致小鼠免疫力降低[15]。

1.5 對(duì)心肌的影響

大鼠短期食入高劑量TiO2NPs會(huì)導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷。通過TiO2NPs處理的大鼠心肌細(xì)胞之間存在寬闊的細(xì)胞間隙，其中一些心肌細(xì)胞出現(xiàn)空泡化。此外，一些心肌細(xì)胞出現(xiàn)深染的均勻嗜酸性肌漿，并帶有褪色的條紋，可觀察到嚴(yán)重充血的毛細(xì)血管和外滲的紅細(xì)胞。在一些細(xì)胞中出現(xiàn)核固縮和核移位，此外還存在單核細(xì)胞浸潤(rùn)[16]。

1.6 對(duì)大腦的影響

一般來說，大腦處于血腦屏障（BBB）的保護(hù)之下。BBB是一種具有高度選擇性的細(xì)胞滲透屏障，能把正在循環(huán)的血液和大量腦脊液隔絕，并限制許多物質(zhì)進(jìn)入大腦。但TiO2NPs由于其特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，可以相對(duì)暢通地穿透身體屏障。許多研究明確表明，TiO2NPs可以通過嗅神經(jīng)穿過血腦屏障并少量進(jìn)入實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，并在體外和體內(nèi)損傷腦神經(jīng)元和腦組織，可能導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病阿爾茨海默病的發(fā)生。在培養(yǎng)的腦膠質(zhì)細(xì)胞中添加TiO2NPs發(fā)現(xiàn)，直徑25nm的TiO2NPs會(huì)引起小鼠腦膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生嚴(yán)重的細(xì)胞炎癥反應(yīng)，并抑制腦膠質(zhì)細(xì)胞能量代謝。Wang等人的研究結(jié)果表明TiO2NPs（直徑80nm）經(jīng)鼻腔內(nèi)滴注染毒后，能夠穿越體內(nèi)的血腦屏障，導(dǎo)致一些小鼠的海馬神經(jīng)元在吸氧時(shí)出現(xiàn)空泡化以及受到損傷的情況[17]。

1.7 對(duì)腸道的影響

TiO2NPs的毒性主要通過體重的影響表現(xiàn)出來，在不同時(shí)間間隔用不同劑量TiO2NPs處理的小鼠有明顯的體重下降。小鼠表現(xiàn)出中毒癥狀，包括食欲不振，體重下降[11]。這有可能說是因動(dòng)物的胃腸道炎癥代謝與菌群紊亂因素有關(guān)。25nmTiO2NPs經(jīng)過口染毒90d，鼠糞便中的產(chǎn)物會(huì)逐漸出現(xiàn)明顯的毒性改變，提示我們TiO2NPs在經(jīng)過口染毒后，鼠糞便可由腸道炎癥代謝反應(yīng)、葡萄糖的氧化穩(wěn)態(tài)、血液循環(huán)系統(tǒng)、氧化應(yīng)激代謝反應(yīng)和各種氨基酸的氧化穩(wěn)態(tài)等多種不同原因紊亂鼠的胃腸道和及代謝菌群[18]，從而導(dǎo)致體重減輕。而TiO2NPs處理的小鼠腸道絨毛的數(shù)量也明顯減少[14]，尤其是營(yíng)養(yǎng)吸收的表面絨毛。急性暴露時(shí)，TiO2NPs會(huì)穿過毛囊相關(guān)上皮和正常腸上皮，定位在這些上皮層下方的組織中。如果沒有適當(dāng)修復(fù)，TiO2NPs積累參與上皮結(jié)構(gòu)維持基因水平蛋白質(zhì)的基因失調(diào)，通過破壞細(xì)胞連接而導(dǎo)致細(xì)胞旁通透性增加，進(jìn)而細(xì)胞旁易位[19]。這表明TiO2NPs在腸道細(xì)胞不會(huì)溶解，它們會(huì)持續(xù)存在于腸道上皮細(xì)胞中，穿透腸粘膜，導(dǎo)致腸壁上皮組織損傷和慢性衰竭。

2 TiO2NPs對(duì)哺乳動(dòng)物的生殖毒理性

有證據(jù)表明，吸收TiO2NPs可能穿過胎盤進(jìn)入胎兒組織并導(dǎo)致生殖和發(fā)育毒性。

2.1 對(duì)雄性哺乳動(dòng)物的生殖毒理性

TiO2NPs可以穿過血睪屏障在睪丸中積聚，導(dǎo)致睪丸組織損傷降低精子數(shù)量和活力。

在一個(gè)小鼠35d連續(xù)胃內(nèi)給予TiO2NPs[20]，未能引起小鼠睪丸上皮組織明顯病變[21]，但TiO2NPs可能導(dǎo)致的病變是一系列睪丸生精上皮細(xì)胞的高度氧化性和損傷，MDA水平增加，睪丸組織中GSH水平和SOD和GPx的活性均顯著下降。此外，TiO2NPs胃內(nèi)給藥，降低精子的參數(shù)（計(jì)數(shù)、運(yùn)動(dòng)性、活力、形態(tài)和DNA質(zhì)量）及體外生育力（受精率和植入前胚胎發(fā)育）。男性生殖細(xì)胞發(fā)育涉及下丘腦、垂體和睪丸之間內(nèi)分泌的相互作用。下丘腦促性腺激素釋放激素，引起垂體前葉內(nèi)部釋放促性腺激素（FSH和LH），而TiO2NPs顆粒處理的小鼠的LH、FSH和睪酮激素水平顯著降低?？赡苁亲杂苫碗S后的脂質(zhì)過氧化的結(jié)果，TiO2NPs處理導(dǎo)致睪丸形態(tài)有明顯的變化[22]。需要進(jìn)一步了解分子機(jī)制，以評(píng)估TiO2NPs誘導(dǎo)內(nèi)分泌和細(xì)胞生殖毒性的可能機(jī)制。

2.2 對(duì)雌性哺乳動(dòng)物的生殖毒理性

小鼠長(zhǎng)期口服TiO2NPs后，TiO2NPs可以穿過卵巢進(jìn)入卵泡，改變卵巢組織結(jié)構(gòu)，包括卵巢卵泡的變性和卵母細(xì)胞數(shù)量的減少，使卵巢形成囊腫以及卵泡發(fā)育紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致卵母細(xì)胞受精率降低，并影響胚胎發(fā)育[23]。

3 小結(jié)與展望

TiO2NPs是近年來應(yīng)用較為廣泛的納米金屬氧化物材料，其應(yīng)用極大地促進(jìn)了納米材料在生物醫(yī)藥、農(nóng)林種植與環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，有助于研發(fā)抗腫瘤藥物，提高農(nóng)作物產(chǎn)量與質(zhì)量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境等，但與許多其他納米材料一樣，關(guān)于TiO2NPs毒性的報(bào)道使其存在爭(zhēng)議。因此，聯(lián)合體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)、采用多種模式生物、采取多種暴露方式，對(duì)TiO2NPs進(jìn)行毒性及危險(xiǎn)性評(píng)估和管理，尋找TiO2NPs應(yīng)用的安全及有效劑量，是目前亟須解決的問題。未來，應(yīng)在安全暴露劑量?jī)?nèi)使用TiO2NPs以促進(jìn)各類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。