納米顆粒物對(duì)心血管系統(tǒng)的影響及其作用機(jī)制研究進(jìn)展

周 維，李艷博，郭彩霞

(首都醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，北京 100069)

納米材料(nanomaterial)是指三維空間尺寸至少有一維處于納米量級(jí)(1～100 nm)的材料[1]。通常將三維都在納米尺度的納米材料稱為納米顆粒，在環(huán)境和職業(yè)衛(wèi)生學(xué)研究中也叫超微顆?；虺?xì)顆粒(ultrafine particles，UFP)[2]。納米尺度處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，當(dāng)粒子尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，由于納米顆粒的表面原子與體相總原子數(shù)之比隨粒徑尺寸的減小而急劇增大，其物理化學(xué)性質(zhì)將發(fā)生改變，顯示出強(qiáng)烈的體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。正是憑借著這些特性，納米材料在軍事、醫(yī)藥、環(huán)保和化工等方面的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究在飛速發(fā)展。早期的納米顆粒生物效應(yīng)研究主要集中于肺部毒性。近年來，隨著納米顆粒生物學(xué)效應(yīng)和安全性研究的不斷深入，越來越多的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果和流行病學(xué)調(diào)查結(jié)論提示:納米顆粒與心血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)。心血管疾病屬于人類重大疾病，嚴(yán)重威脅人類的健康和生命。納米顆粒對(duì)心血管系統(tǒng)的潛在危害越來越受到重視，心血管系統(tǒng)也逐漸被認(rèn)為是納米材料毒性效應(yīng)靶點(diǎn)之一。本文重點(diǎn)綜述納米顆粒物對(duì)心血管系統(tǒng)的影響及其可能作用機(jī)制。

1 納米顆粒物對(duì)心血管系統(tǒng)的影響

目前有關(guān)納米顆粒物對(duì)心血管系統(tǒng)的危害研究在國(guó)內(nèi)外主要集中在動(dòng)物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，有關(guān)人群流行病學(xué)研究報(bào)道相對(duì)較少。

1.1 流行病學(xué)研究

在對(duì)納米顆粒物心血管生物毒性研究尚未系統(tǒng)開展之前，已經(jīng)存在大量關(guān)于空氣中大氣顆粒物(particulate matter，PM)和心血管疾病相關(guān)性的流行病學(xué)資料。早在20世紀(jì)90年代，哈佛等6城市研究和ACS隊(duì)列研究就證明了心血管疾病發(fā)病率增加與PM長(zhǎng)期暴露有關(guān)。越來越多的流行病學(xué)資料證實(shí)，空氣中PM10和PM2.5日平均濃度與心血管疾病的發(fā)病率以及死亡率相關(guān)[3];PM10每上升10 μg·m－3，冠心病死亡風(fēng)險(xiǎn)可增加 0.8%，當(dāng)日醫(yī)院就診率增加 0.4%，滯后4 d 的就診率增加1.17%[4];PM2.5每增加10 μg·m－3，心血管疾病的死亡率增加8%～18%，死亡原因與缺血性心臟病、心律不齊、功能紊亂和心臟停搏等有關(guān)[5]。隨著對(duì)顆粒物認(rèn)識(shí)的加深和研究技術(shù)的進(jìn)步，關(guān)于納米或UFP對(duì)心血管影響的流行病學(xué)研究也逐漸有所展開。研究發(fā)現(xiàn)，空氣中納米級(jí)顆粒能導(dǎo)致心血管疾病和呼吸道疾病發(fā)病率以及入院率上升[6]。與PM總濃度相比，PM中所含納米顆粒的比例與心血管系統(tǒng)疾病有著更為密切的關(guān)聯(lián)。納米顆粒物與心肌缺血、心律不齊、高血壓和心率變異性(heart rate variability，HRV)降低以及外周血中炎癥和血栓形成的循環(huán)標(biāo)志物的增加之間存在高度關(guān)聯(lián)，提示納米顆?？赡苁且鹇孕难芗膊〉闹匾蛩豙7]。Weiner等[8]開展了長(zhǎng)達(dá)25年的隊(duì)列研究，結(jié)果顯示，長(zhǎng)期接觸硅塵可增加工人心血管疾病的發(fā)病率，而硅塵中的納米尺度顆粒物有著較大的危害。德國(guó)學(xué)者采用群組追蹤方法研究納米級(jí)顆粒物與人群心血管疾病的關(guān)系，結(jié)果顯示，空氣中UFP濃度的升高能增加男性冠心病患者心律不齊的發(fā)生率[9]，且UFP暴露能使男性冠心病患者血小板數(shù)量減少，改變血液黏滯度[10]。還有研究發(fā)現(xiàn)，短期暴露于納米尺度顆粒物可使有心梗病史患者的隱匿性的冠心病病情惡化[11]。

1.2 生物整體水平實(shí)驗(yàn)研究

1.2.1 志愿者試驗(yàn)

志愿者試驗(yàn)一般選擇不吸煙、健康或患有心血管疾患的人群作為研究對(duì)象。有研究發(fā)現(xiàn)，人體在高濃度細(xì)顆粒物(直徑為0.02～1.0 μm)下鍛煉30 min 后，動(dòng)脈血管發(fā)生收縮，血流峰值降低，灌注減弱，血氧值下降[12];在直徑＜0.12 μm的顆粒物環(huán)境中可出現(xiàn)心率改變，迷走神經(jīng)易興奮，QT間期延長(zhǎng)，血液生化檢測(cè)顯示血中IL－8水平升高，D－二聚體含量增加[13]。還有研究發(fā)現(xiàn)，UFP暴露可導(dǎo)致健康志愿者心律及心率改變，出現(xiàn)急性炎性反應(yīng)[14];還能使冠心病患者心電圖ST段壓低，且濃度越高ST段壓低危險(xiǎn)性越大[15]。以上結(jié)果提示，空氣中處于微米和納米級(jí)的細(xì)顆粒物和UFP暴露可誘發(fā)心血管疾病，增加心血管疾病的發(fā)生率和死亡率。

1.2.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

越來越多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，納米級(jí)顆粒物可以誘導(dǎo)心血管系統(tǒng)的損傷或病變，主要表現(xiàn)如下。

對(duì)心臟功能的影響:動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，納米顆?？商岣咝募⊙趸瘧?yīng)激水平，改變血管反應(yīng)性，加重心肌缺血再灌注損傷[16];納米二氧化鈦可增強(qiáng)與心肌損害有關(guān)的肌酸激酶、乳酸脫氫酶、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶和羥基丁酸脫氫酶的表達(dá)[17]。吸入納米碳黑顆?？梢鸲虝r(shí)的心率加快以及交感、迷走神經(jīng)協(xié)調(diào)性改變，引發(fā)心臟HRV、ST、全部竇性心搏RR間期等改變，導(dǎo)致心臟自主調(diào)節(jié)功能紊亂[18]。同樣，Harder等[19]將健康的年輕 WKY 大鼠暴露于 180 μg·m－3，38 nm的納米碳顆粒24 h，大鼠出現(xiàn)輕微且持久的心率加快(18 min－1，4.8%)，HRV 顯著降低。

對(duì)血管功能的影響:納米顆粒能導(dǎo)致小鼠左心室舒張末期壓降低，冠脈血流復(fù)蘇緩慢，心肌梗死區(qū)域再灌注受到明顯影響[20]。以ApoE－/－小鼠為動(dòng)物模型的實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)，碳黑納米顆?？蓪?dǎo)致血管功能紊亂，且以血管舒張功能降低為主[21]。

對(duì)血液的影響:納米顆粒能導(dǎo)致血液中成分發(fā)生改變(如血小板和纖維蛋白等)，增加血液中炎癥反應(yīng)物質(zhì)的含量，如白細(xì)胞介素6(interleukin－6，IL－6)、中性粒細(xì)胞和可溶性E選擇素等[22];可誘導(dǎo)并激活血小板，進(jìn)而活化的血小板可與受損或激活的內(nèi)皮細(xì)胞作用而發(fā)生凝聚，增加心血管疾病發(fā)生的危險(xiǎn)。Nemmar等[23]發(fā)現(xiàn)，倉鼠氣管滴注或注射給予帶有正電荷的氨基酸聚氯乙烯納米顆粒(60 nm)，可在1 h內(nèi)引發(fā)血小板活化，發(fā)生前血栓效應(yīng)。Radomski等[24]也證實(shí)，一些碳納米顆粒和微小顆粒能激活血小板并大大縮短動(dòng)物模型中頸動(dòng)脈血栓形成的時(shí)間，加快血栓形成速度。

對(duì)血管內(nèi)皮的影響:內(nèi)皮損傷與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生相關(guān)。有研究明確指出，處于納米尺度的顆粒物能直接損傷血管內(nèi)皮，促進(jìn)早期動(dòng)脈粥樣硬化的形成，且粒徑越小作用越強(qiáng)[25];能誘使單核巨噬細(xì)胞向斑塊下移動(dòng)[26]，還能促使粥樣斑塊下單核巨噬細(xì)胞源性泡沫細(xì)胞的數(shù)量增加，上調(diào)Ⅳ型膠原表達(dá)，增加內(nèi)皮細(xì)胞外基質(zhì)厚度，最終導(dǎo)致粥樣斑塊不穩(wěn)定[27]。研究證實(shí)，納米碳黑顆粒和納米鎳等可加速ApoE－/－或 LDLR－/－小鼠動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生進(jìn)程[28－29]。

值得一提的是，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，相對(duì)于健康正常動(dòng)物而言，患病或有缺陷的動(dòng)物對(duì)納米材料心血管毒性更為敏感[30]。另外，納米顆粒生物效應(yīng)還與年齡有關(guān)。比較不同年齡期大鼠吸入含納米二氧化硅的氣溶膠的變化發(fā)現(xiàn)，老年大鼠出現(xiàn)明顯的心血管改變，包括心肌缺血損傷、房室傳導(dǎo)阻滯、血漿黏度和纖維蛋白原濃度升高，而幼年和成年大鼠變化甚微。也就是說，僅觀察到年老的大鼠可處于患心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)[31]。這與流行病學(xué)研究資料發(fā)現(xiàn)的“環(huán)境顆粒物污染與人類心血管疾病相關(guān)，尤其是對(duì)于老年人”相吻合。

1.3 細(xì)胞實(shí)驗(yàn)研究

近年來，從細(xì)胞水平上去探索納米顆粒物心血管系統(tǒng)毒性的研究越來越多，取得了一定的進(jìn)展，主要表現(xiàn)在:① 對(duì)心血管細(xì)胞的直接損傷。納米顆粒具有心肌細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞毒作用。納米鈦顆粒能直接導(dǎo)致心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)改變，加之氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞的直接損害[32]。納米二氧化硅顆粒可損害心肌細(xì)胞，造成細(xì)胞結(jié)構(gòu)改變，誘發(fā)細(xì)胞氧化應(yīng)激，導(dǎo)致細(xì)胞周期發(fā)生阻滯[33];還可損害內(nèi)皮細(xì)胞，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，引發(fā)炎癥反應(yīng)[34]。同樣，納米碳黑顆粒能直接影響血管內(nèi)皮細(xì)胞，引起細(xì)胞毒損傷和炎癥反應(yīng)，抑制細(xì)胞增殖[35]。② 對(duì)細(xì)胞分子表達(dá)的影響。大量研究表明，納米顆粒能導(dǎo)致多種心血管細(xì)胞中炎癥反應(yīng)標(biāo)志物或產(chǎn)物含量增加，如 IL－6，IL－8 和 IL－11 等[36]。Oesterling 等[37]的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)納米鋁暴露后的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中黏附分子的含量及其mRNA表達(dá)增加，包括血管細(xì)胞黏附分子－1、細(xì)胞間黏附分子－1和內(nèi)皮細(xì)胞白細(xì)胞黏附分子。③其他。除通過直接損害心血管細(xì)胞、影響細(xì)胞炎癥因子、黏附分子等的表達(dá)外，有研究證實(shí)，納米鎳顆粒暴露可導(dǎo)致骨髓源性內(nèi)皮前體細(xì)胞的數(shù)量減少且功能降低，進(jìn)而促進(jìn)心血管疾病的進(jìn)展[38]。

2 納米顆粒物心血管毒性的可能作用機(jī)制

2.1 炎癥反應(yīng)

不論病因如何，炎癥反應(yīng)在心肌炎、動(dòng)脈粥樣硬化、高血壓、急性心肌梗死和心力衰竭等心血管疾病的發(fā)生發(fā)展中均扮演著重要的角色。已有研究證明，納米顆粒經(jīng)呼吸道進(jìn)入肺部后，能持續(xù)誘導(dǎo)肺部炎癥，同時(shí)引起全身性的炎癥反應(yīng)，增加心血管事件的危險(xiǎn)度。而未被及時(shí)清除機(jī)體的顆粒能迅速通過氣血屏障通過血液到達(dá)全身各個(gè)器官。進(jìn)入體循環(huán)的納米顆粒能刺激機(jī)體產(chǎn)生一系列的炎癥細(xì)胞因子，如腫瘤壞死因子 α(TNF－α)、IL－1β、C 反應(yīng)蛋白、可溶性血管內(nèi)皮細(xì)胞蛋白C受體、IL－6和IL－8等，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)并最終造成細(xì)胞毒性[39]。現(xiàn)在針對(duì)這一機(jī)制最主要的問題是:心血管系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)是源于肺部炎癥所致的全身炎癥反應(yīng)，還是納米微粒直接引起的。有研究顯示，經(jīng)過碳黑納米顆粒暴露后，在受損的心臟組織中并未發(fā)現(xiàn)納米顆粒物，但更多的研究并未提及類似的結(jié)果[40]。

2.2 氧化應(yīng)激

目前研究證明，多種納米材料能對(duì)不同生物體或細(xì)胞產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)。這可能是由于納米材料的表面原子數(shù)多，空鍵多，故其活性高，能產(chǎn)生自由基，繼而激發(fā)活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)的生成，干擾抗氧化系統(tǒng)。氧化應(yīng)激可導(dǎo)致細(xì)胞膜氧化受損，流動(dòng)性降低而通透性增加，從而納米顆粒能更容易地進(jìn)入胞內(nèi);還可引發(fā)DNA和蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)發(fā)生氧化損傷，導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)抑制、細(xì)胞周期異常和細(xì)胞死亡等[41]。研究表明，處于納米尺度的顆粒物PM0.1可直接進(jìn)入細(xì)胞及線粒體引起ROS生成增多，或通過影響鈣離子通道和鈣穩(wěn)態(tài)，從而導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS生成增多，激活轉(zhuǎn)錄因子p53，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，甚至在未引起肺組織炎癥之前就可造成心臟和血管內(nèi)皮功能障礙[42]。

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激在納米顆粒心血管毒性方面占據(jù)著重要的地位，但二者并不是獨(dú)立的。如氧化應(yīng)激產(chǎn)物能刺激巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞分泌TNF－α和IL－1β;反過來，TNF－α 和 IL－1β 能吸引大量粒細(xì)胞聚集，在炎癥反應(yīng)的過程中產(chǎn)生ROS等氧化產(chǎn)物，對(duì)機(jī)體造成氧化損傷。另外，信號(hào)通路的激活或啟動(dòng)是炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激造成心血管系統(tǒng)毒性的最后路徑。越來越多的學(xué)者認(rèn)為，納米材料啟動(dòng)所有信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的關(guān)鍵是上調(diào)NADPH－p47phox活性，誘導(dǎo)O2÷等ROS產(chǎn)物的產(chǎn)生，進(jìn)而O2÷等激活相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[43]。產(chǎn)生的 O2÷等可激活NF－κВ信號(hào)通路，誘使細(xì)胞產(chǎn)生大量炎癥物質(zhì)和黏附分子的產(chǎn)生，致使內(nèi)皮黏附性增強(qiáng)，血液黏性增加[44];磷酸化激活MARK信號(hào)通路，誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生炎癥介質(zhì)，造成細(xì)胞損傷[43];激活 Rho/ROCK通路來促進(jìn)平滑肌收縮，導(dǎo)致血管舒縮功能失衡[45];促使內(nèi)皮型一氧化氮合酶/神經(jīng)型一氧化氮合酶的解偶聯(lián)，降低內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生NO的能力，減弱其抗炎能力[46];還可通過抑制bcl－2、促進(jìn)Bax的表達(dá)來抑制細(xì)胞生長(zhǎng)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡[41]。

2.3 其他

多數(shù)研究表明，納米顆粒的心血管毒性可能與其誘發(fā)肺部和(或)全身的炎癥反應(yīng)，引起血管內(nèi)皮功能損傷，形成前凝聚狀態(tài)，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生，以及炎癥刺激引起自主神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂有關(guān)[47－48]。除上述炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激是目前較為公認(rèn)的納米顆粒心血管毒性的主要作用機(jī)制外，納米顆粒暴露所致的血液黏度和血管狀態(tài)改變、心肌細(xì)胞離子通道功能改變以及心臟自主神經(jīng)功能改變等也是其心血管毒性的可能作用機(jī)制。①血液黏度和血管狀態(tài)改變。納米顆粒暴露能誘導(dǎo)血液成分發(fā)生改變，增加纖維蛋白原的生成，誘導(dǎo)并活化血小板，從而引起血液凝集、血栓形成以及血液黏度增加，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的心血管疾病。②心肌細(xì)胞離子通道功能改變。納米顆粒還可影響心肌細(xì)胞離子通道功能，造成心肌缺血和損傷線粒體，引起心臟衰竭[49]。如鈣離子是細(xì)胞內(nèi)重要的轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)之一。細(xì)胞中游離鈣離子濃度在心肌纖維細(xì)胞興奮收縮偶聯(lián)及調(diào)節(jié)收縮強(qiáng)度中起關(guān)鍵作用。細(xì)胞內(nèi)外鈣離子濃度差的降低會(huì)引起細(xì)胞功能性損傷，甚至死亡。吸入納米顆粒物可引起細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)的失衡和破壞。研究發(fā)現(xiàn)，納米碳黑顆?？稍黾尤藛魏思?xì)胞MonoMac6細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度[48]。③心臟自主神經(jīng)功能改變。納米顆粒暴露可改變自主神經(jīng)反射等機(jī)制，減少迷走感神經(jīng)的心臟信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，引發(fā)心律不齊等。

3 問題與展望

隨著納米材料在生活生產(chǎn)中的普及，人們暴露于納米材料的機(jī)會(huì)也越來越多，納米材料的安全性問題引起了世界范圍的廣泛關(guān)注。目前，納米材料心血管毒性方面已取得一定的研究成果，氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)假說被認(rèn)為是納米材料心血管毒性的主要機(jī)制，但這些研究更多地集中在體外細(xì)胞水平，不過納米材料通過改變血液和血管功能、心臟神經(jīng)功能等來誘導(dǎo)心血管毒性方面的研究尚淺，故而目前納米材料心血管生物效應(yīng)的證據(jù)還相對(duì)有限，且作用機(jī)制尚不明確。另外，納米材料特殊、復(fù)雜的理化特性，納米材料的生物學(xué)效應(yīng)與其小尺寸(表面積和尺寸分布)、化學(xué)組成(純化、結(jié)晶、電化學(xué)特性等)、表面結(jié)構(gòu)(表面反應(yīng)性、表面基團(tuán)、有機(jī)物或無機(jī)物的包被等)、可溶性、形狀和聚集性等均有關(guān)，這給研究帶來了困難。心血管疾病是環(huán)境因素誘導(dǎo)的人類重大疾病之一，嚴(yán)重威脅人類健康與生命，開展納米材料暴露所致心血管系統(tǒng)毒性作用及其機(jī)制的研究具有重要的意義。因此，應(yīng)利用各種動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床試驗(yàn)及流行病學(xué)研究探討納米顆粒對(duì)心血管系統(tǒng)的影響，建立適合反映納米顆粒致?lián)p傷的生物學(xué)終點(diǎn)，明確其作用機(jī)制。在進(jìn)行納米材料生物學(xué)效應(yīng)研究的同時(shí)，應(yīng)弄清楚納米材料進(jìn)入細(xì)胞后的亞細(xì)胞器定位，并深入探討納米材料對(duì)細(xì)胞信號(hào)通路影響的研究。

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