月塵生物毒性研究概述

姜雪，孫燕

（1.沈陽醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)2012級(jí)9班，遼寧 沈陽 110034；2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室）

月塵生物毒性研究概述

姜雪1，孫燕2?

（1.沈陽醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)2012級(jí)9班，遼寧 沈陽 110034；2.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)教研室）

月塵廣泛分布于月球表面，由于長(zhǎng)期受到各種理化因素的作用，具有形態(tài)復(fù)雜多變、表面反應(yīng)性高、成分復(fù)雜等特點(diǎn)。月塵容易黏附于航天器表面和進(jìn)入宇航員體內(nèi)，危害宇航員的安全和健康，對(duì)宇航員的呼吸系統(tǒng)、皮膚、眼睛都有一定程度的損傷危害。了解月塵生物毒性研究現(xiàn)狀十分重要。

月塵；毒性機(jī)制；性質(zhì)；危害；生物毒理

［Abstract］Lunar dust is widely distributed on the lunar surface.Due to long-term various physical and chemical factors，lunar dust have complex shapes，high surface reactivity and complex component.Lunar dust can adhere to spacecraft and be inhaled by astronauts easily，and then damage the spacecraft and threaten the health of astronauts，which can cause respiratory effects，skin effects and potential ocular effects.So it is important to understand the current research of lunar biology toxicity.

［Key words］lunar dust；mechanism of toxicity；property；harmfulness；biological toxicology

月塵是月球表面普遍存在的一種細(xì)小顆粒。月球表面土壤（月壤）顆粒的直徑40～800 μm，平均為70 μm［1］。月塵是范圍小于20 μm部分，在月壤中的比例大約為20%［2］。月塵是各種未來航天任務(wù)面臨的諸多挑戰(zhàn)中的最主要問題之一，由于長(zhǎng)期處于月球的重力環(huán)境以及近乎真空的條件下，很容易被人類活動(dòng)干擾而四散飛揚(yáng)。月塵容易進(jìn)入宇航員體內(nèi)，對(duì)宇航員的呼吸系統(tǒng)、皮膚、眼睛都有一定程度的損傷危害。本文就月塵的毒性機(jī)制、生物毒性作用進(jìn)行綜述。

1　月塵毒性機(jī)制

月塵的生物毒性與月塵顆粒的粒徑大小、顆粒形態(tài)、礦物與化學(xué)成分、電磁特性等密切相關(guān)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)月塵的危害需要結(jié)合月塵自身特性分析其生物毒理學(xué)的具體作用機(jī)制。

Taylor等［3-4］對(duì)19種阿波羅登月任務(wù)中所采回的月壤樣本進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，月塵中超過70%的成分是由輝石、斜長(zhǎng)石和富含玻璃的顆粒組成。此外，月塵中還含有少量礦物橄欖石、鈦鐵礦和玻璃小體，納米鐵的存在被認(rèn)為是月塵毒性的重要因素。

Wallace等［5］研究發(fā)現(xiàn)，納米鐵可嵌入月塵中玻璃物質(zhì)的透明邊緣，有可能與體內(nèi)的組織和細(xì)胞直接接觸。納米鐵是一種鐵鈦氧化物，由于鐵和鈦的同時(shí)存在，吸入后可能會(huì)產(chǎn)生不利影響。這種含鐵物質(zhì)可能會(huì)發(fā)生過氧化氫反應(yīng)，最終產(chǎn)生活性自由基團(tuán)，進(jìn)而具有潛在毒性［6-7］。

由于月塵在月球表面長(zhǎng)期受到各種理化因素的作用，其顆粒具有形態(tài)多樣、表面反應(yīng)性高、成分復(fù)雜等特點(diǎn)，且顆粒粒徑小，并含有納米鐵等金屬污染顆粒，因此，其可能表現(xiàn)出較普通微粒更加強(qiáng)烈或更加復(fù)雜的毒性作用。Hurowitz等［8］研究發(fā)現(xiàn)，新粉碎的月壤可誘發(fā)機(jī)體產(chǎn)生大量具有高度反應(yīng)性的活性氧簇，可誘發(fā)機(jī)體產(chǎn)生大量炎癥的發(fā)生以及對(duì)細(xì)胞代謝不利的活性氧。機(jī)械沖擊和磨損也會(huì)使月塵顆粒富含懸空鍵及不飽和化學(xué)鍵，且在月球上缺水乏氧的環(huán)境下，可能持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間［5，9-10］。持續(xù)暴露于輻射及太陽風(fēng)之下，會(huì)使月塵顆粒表面富含活性反應(yīng)中心和供電子中心，此外，光敏化也可能發(fā)生，從而誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生，如二氧化鈦光活化能夠釋放出活性氧，并最終誘導(dǎo)氧化損傷［11-12］。當(dāng)月塵顆粒進(jìn)入體內(nèi)時(shí)，高強(qiáng)度表面勢(shì)能、不飽和化學(xué)鍵以及高反應(yīng)性均可能誘導(dǎo)月塵顆粒與體液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)顆粒浸潤在體液時(shí)，這種極高濃度表面電荷，不飽和效價(jià)和活性部位會(huì)發(fā)生反應(yīng)［5，13］。

2　月塵生物毒性作用

2.1月塵對(duì)呼吸系統(tǒng)毒性作用 月塵對(duì)呼吸系統(tǒng)的影響來自于可吸入顆微粒，月塵中含有大量的可吸入顆粒（＜10 μm，約占10%），當(dāng)月塵進(jìn)入體內(nèi)，不溶性微粒被巨噬細(xì)胞和黏液纖毛清除或淋巴系統(tǒng)清除，而可溶性微粒依然停留在肺間質(zhì)中［14-16］。宇航員們的防護(hù)衣上面的塵土是可以被帶回到他們生活和工作的場(chǎng)所中，一旦被吸入肺內(nèi)，影響呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)，并存在將呼吸道炎癥轉(zhuǎn)化為癌癥的危險(xiǎn)。研究表明在微重力環(huán)境下，可能會(huì)使塵土容易地?cái)U(kuò)散到整個(gè)肺部［17］。在月塵模擬物應(yīng)用于人類肺癌A549細(xì)胞的研究中，檢測(cè)到細(xì)胞的毒性、氧化應(yīng)激和免疫反應(yīng)［15］。

在一項(xiàng)月塵肺毒性研究中，研究人員利用阿波羅14號(hào)任務(wù)期間收集的月壤經(jīng)過噴射型碾壓機(jī)制成粒徑適中的月塵顆粒，以研究月塵的肺毒性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠支氣管肺泡液的毒性生物標(biāo)記呈濃度依賴性變化并可觀察到劑量依賴性肺組織病理現(xiàn)象，包括炎癥、縱膈變薄、纖維化和肉芽腫。4周的小鼠暴露實(shí)驗(yàn)顯示未觀察到有害作用的最高劑量（NOAEL）為6.8 mg/m3，這個(gè)結(jié)果對(duì)評(píng)估人類暴露于月塵的健康風(fēng)險(xiǎn)，確定人類暴露極限和引導(dǎo)月球登錄者以及棲息者的塵土減降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都將是非常有用的［18］。

在研究估計(jì)人類對(duì)月塵的安全暴露水平的建模實(shí)驗(yàn)中用3組顆粒大小不等的月塵（包括2組打磨和1組未打磨）和2組標(biāo)準(zhǔn)的毒性粉塵（包括石英和TiO2）對(duì)小鼠進(jìn)行灌注，6組小鼠每組按0、1、2.5、7.5 mg/m3的濃度劑量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在灌注1周和1個(gè)月后分別進(jìn)行生化和細(xì)胞生物學(xué)標(biāo)志物檢測(cè)。通過比較敏感生物標(biāo)記物的劑量-反應(yīng)曲線，在月塵的3個(gè)實(shí)驗(yàn)組（包括2組打磨和1組未打磨）毒理學(xué)結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)估計(jì)宇航員的安全暴露水平分別為（1.3±0.4）mg/m3（噴磨式粉塵），（1.0±0.5）mg/m3（球磨式粉塵）和（0.9±0.3）mg/m3（未打磨的，自然粉塵）。最后得出0.5～1 mg/m3的月球塵埃是人類長(zhǎng)期生活在月球表面的安全暴露估計(jì)水平［19］。

鑒于月塵的稀有性，有的研究［20］采用月塵模擬物（lunar soil simulant，LSS）。結(jié)果顯示，隨著小鼠暴露在月塵中的時(shí)間的延長(zhǎng)，肺臟的急性炎癥會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槁匝装Y。

2.2月塵對(duì)眼睛毒性作用 不管月塵是通過空氣途徑進(jìn)入眼睛還是通過手指及其他被沾染的物體進(jìn)入眼睛，對(duì)眼睛都有磨損的危險(xiǎn)。

在 “阿波羅登月”任務(wù)中，宇航員的宇航服表面附著了大量的月塵顆粒，結(jié)束任務(wù)后，這些顆粒隨宇航服一起回到了太空艙。當(dāng)太空艙離開月球表面恢復(fù)微重力操作回到地球時(shí)，太空艙中的月塵能刺激阿波羅宇航員的眼睛［21］。Meyers等［22］用新西蘭白兔進(jìn)行急性眼刺激研究，確定了月塵對(duì)眼睛的機(jī)械性損傷。將3只健康的白兔隔離檢疫5 d，眼睛均完好無損；選用來自阿波羅14任務(wù)帶回的月壤，研磨成半徑為（2.9±1.0）μm的中等粒子，根據(jù)經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（Organization for Economic Co-operation and Development，OECD）指導(dǎo)方針第405條，0.1 ml或者（70±2）mg月塵就會(huì)產(chǎn)生急性眼刺激。輕輕地拉開白兔眼瞼形成一個(gè)杯口狀，將月塵滴入每只白兔右眼的結(jié)膜囊，以未處理的左眼作對(duì)照。在實(shí)驗(yàn)后的1、24、48、72 h記錄眼睛的反應(yīng)等級(jí)，采用Draize［23］等級(jí)測(cè)定最大平均刺激值。應(yīng)用熒光鈉眼藥水1～24 h后，立刻檢查處理過的角膜。結(jié)果顯示，3只白兔在1 h觀察點(diǎn)平均刺激值為4.0，且只在1 h觀察點(diǎn)可見刺激值由結(jié)膜輕微的紅腫造成。在角膜熒光素染色實(shí)驗(yàn)中未觀察到角膜的磨損，在隨后的觀察點(diǎn)（24、48、72 h）也未記錄到白兔角膜、虹膜、結(jié)膜的損傷標(biāo)志或癥狀。也就是說，月塵對(duì)白兔眼睛的機(jī)械性損傷局限在接觸后1 h。

2.3月塵對(duì)皮膚毒性作用 月塵對(duì)身體 “突出部分”如手指、指關(guān)節(jié)、肘部、膝部等的表層皮膚會(huì)造成摩擦損傷［16］。導(dǎo)致皮膚磨損的一種原因可能是月塵進(jìn)入宇航服內(nèi)，它們被困在宇航員的皮膚和宇航服材料之間后，立即會(huì)接近皮膚。皮膚擦傷可能導(dǎo)致皮膚屏障功能破壞，增加感染的風(fēng)險(xiǎn)。Jones等［24］研究了月塵對(duì)新獲得的豬皮皮膚的毒理作用。研究評(píng)價(jià)的月塵樣本來自阿波羅3、11、16、17任務(wù)以及月塵模擬物（JSC-1A）。進(jìn)行皮膚磨損研究時(shí)，將月塵和JSC-1A分別嵌入棉片內(nèi)擦傷豬皮樣本。為了檢測(cè)磨損效果，施行經(jīng)皮抗阻測(cè)定，當(dāng)皮膚表面破損時(shí)，電阻從M-Ω范圍下降到K-Ω范圍。結(jié)果顯示，在沒有月塵時(shí)，幾乎沒有觀察到經(jīng)皮阻抗的下降；當(dāng)加入少量的月塵模擬物（JSC-1A）到棉片上時(shí)，皮膚如預(yù)期一樣很快就發(fā)生磨損。多次試驗(yàn)結(jié)果顯示電阻的變化依賴于添加到棉片上的磨損材料的量。這些皮膚磨損研究的初步結(jié)果影響著艙外活動(dòng)衣服材料的選擇。

3　小結(jié)

月塵對(duì)宇航員除了會(huì)損傷宇航員的宇航服等生命支持系統(tǒng)，還會(huì)通過滲透和吸入損害宇航員的身體健康。我國還沒有自己采集到真實(shí)月球樣品。即使在美國，由于真實(shí)月球樣品十分珍貴，通常都是用模擬月塵開展各類地面測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證。雖然美國和俄羅斯學(xué)者對(duì)月塵生物毒性研究已經(jīng)開展了一些有益的探索，但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，限制了對(duì)月塵磨損性、生物毒理學(xué)具體機(jī)制的認(rèn)識(shí)。而且無論是真實(shí)的月塵樣本還是模擬月塵，均未保存在月球一樣的環(huán)境下，沒有再暴露于宇宙射線中，也沒有處于真空中，并不能完全顯示真正的月塵的特性。但無論如何，研究者們對(duì)現(xiàn)有的研究結(jié)果的分析總結(jié)將填補(bǔ)我們對(duì)月塵危害性認(rèn)識(shí)的空白。利用模擬月塵等手段，從微觀的角度研究月塵顆粒的成分和結(jié)構(gòu)及其粘附和生物毒理學(xué)機(jī)理是月塵研究的重要發(fā)展趨勢(shì)。

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Biological Toxicology of Lunar Dust

JIANG Xue1，SUN Yan2?
（Class 9，Grade 2012，Shenyang Medical College，Shenyang 110034，China；2.Department of Pharmacology，Shenyang Medical College）

R285

A

1008-2344（2016）03-0214-03

10.16753/j.cnki.1008-2344.2016.03.028

2015-08-31

（文敏 編輯）

孫燕（1979—），女（漢），博士，講師，研究方向：分子生物學(xué)，中藥藥理.E-mail：inksun@163.com