納米二氧化鈦毒理的研究進展

韓道寧，蘇秀蘭

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

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)有關納米技術應用和研究日益成為熱點。隨后由于納米技術的快速發(fā)展，其應用和發(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，且隨著人們對于納米材料技術研發(fā)的進一步深入，越來越多的納米材料陸續(xù)合成。納米材料應用必須具備的特異性隧道效應（小分子尺寸隧道效應反射、外部空間表面尺度效應反射、宏觀微?？臻g量子限域尺寸隧道效應反射、外部空間宏觀微粒量子限域隧道尺寸效應和介質與電子無限域隧道效應）進一步發(fā)展引起了其自身獨特的外部空間結構力學特性、理化結構特征及對微生物的高度包容性，故廣泛應用在塑膠涂料、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應用領域。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，闡明其對人類健康潛在副作用至關重要。

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)上的應用更為廣泛。金紅石比其他兩種材料的結構更穩(wěn)定，銳鈦礦相和板鈦礦相分別在高溫下進行加熱反應時均可以將其轉化成金紅石，金紅石和銳鈦礦TiO2的晶相分別是一個四方晶相，而板鈦礦的晶相則是一個斜方晶相。此外，板鈦礦難以合成，據(jù)報道其具有較高的光催化活性。二氧化鈦納米粒子（TiO2NPs）被合成用于多個工業(yè)部門。在食品工業(yè)中，歐洲法規(guī)（EC）第1333/2008號，授權將氧化鈦稱為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（歐盟委員會法規(guī)（EU）第231/2012號）。

作為廣泛應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、冰激凌及糕點等食品產(chǎn)業(yè)的食品增白劑[3]，而且由于其自身反應活性和滲透性較強，其應用已經(jīng)逐步擴大至日常涂料、塑料制品、紙張、藥物、醫(yī)療、化妝品、半導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，人們對納米顆粒的潛在人類健康風險提出了擔憂。大量TiO2NPs的應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行微生物的積累，且在其他水生動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輸從一個物種直接轉移為其他物種[6]，同時還能夠通過體內(nèi)的血液循環(huán)從一個器官直接轉移至其他器官。

1 暴露于納米二氧化鈦的各個臟器的毒理研究

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入人體，隨著血液循環(huán)系統(tǒng)進入各器官及組織，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，并且會對各器官造成不同程度的影響，導致器官受累（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 對肝臟的影響

一旦納米顆粒進入體內(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導致大鼠中毒血液中谷氨苯丙氨酸轉氨酶/酶和谷草氨酸轉氨酶的濃度水平明顯升高，并且在機體內(nèi)同時出現(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嚴重出現(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，肝細胞的線粒體發(fā)生腫脹和空泡變，甚至可能引起肝細胞的凋亡，TiO2NPs刺激的小鼠肝損傷的信號通路可能為：激活TLRs→NIK→IκB激酶→NF-κB→TNF-α→炎癥→細胞凋亡→肝損傷[9]。

1.2 對肺的影響

在生產(chǎn)、流通、使用和回收過程中，TiO2NPs易擴散到空氣中。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)的風險。研究結果表明，大鼠短時間內(nèi)吸入TiO2NPs可誘發(fā)嗜酸性粒細胞的氣道炎癥反應，暴露TiO2NPs的細胞物質可直接刺激肺部樹突細胞，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性，從而引起肺泡內(nèi)蛋白質總量、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會增加中性粒細胞向氣道浸潤，導致肺組織的通透性增加和細胞的損傷[11]。TiO2NPs同時還可以降低肺泡巨噬細胞的吞噬活性，這可能會阻礙TiO2NPs和其他病原體從肺部的清除。TiO2NPs的暴露增加了上皮細胞對細菌和病毒感染的易感性。體外培養(yǎng)的人THP-1細胞源性巨噬細胞經(jīng)TiO2NPs處理后，PlGF、CXCL1、CXCL5和CCL3表達上調。這些結果表明TiO2NPs可引起嚴重的肺氣腫，這可能是由PlGF激活及相關炎癥途徑引起的[12]。吸入TiO2NPs會引起肺部炎癥，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周收集肺組織進行形態(tài)計量學、微陣列基因表達和通路分析，研究發(fā)現(xiàn)，TiO2NPs可引起肺氣腫、巨噬細胞聚集、肺泡間隔廣泛破壞、Ⅱ型肺細胞增生和上皮細胞凋亡。TiO2NPs誘導數(shù)百個基因的差異表達，包括激活細胞周期、凋亡、趨化因子和補體級聯(lián)。特別是，TiO2NPs上調胎盤生長因子（PlGF）和其他趨化因子（CXCL1、CXCL5和CCL3）的表達，可能導致肺氣腫和肺泡上皮細胞凋亡[12]。

1.3 對腎臟的影響

小鼠在暴露于25nm和80nmTiO2NPs后，TiO2NPs侵入其腎臟時，其腎小管內(nèi)蛋白滲出，腎小球嚴重腫脹并產(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)生氧化應激，蛋白質物質在許多遠側小管的管腔和髓質中的集合管中積累，近曲小管可以看到有高立方體嗜酸細胞，管腔狹窄，遠曲小管有低立方體細胞，這表明TiO2NPs會引起小鼠腎小球腎炎[14]。

1.4 對脾臟的影響

對脾臟而言，小鼠短期腹腔注射TiO2NPs后，TiO2NPs在脾臟中積累最多，病理學檢查顯示，TiO2NPs會引起脾臟中的中性粒細胞發(fā)生嚴重病變，導致脾臟組織嚴重損傷，淋巴結病變、充血和增殖，最終引起脾細胞凋亡，這可能是由于阻塞血管，最終導致小鼠免疫力降低[15]。

1.5 對心肌的影響

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

1.6 對大腦的影響

一般來說，大腦處于血腦屏障（BBB）的保護之下。BBB是一種具有高度選擇性的細胞滲透屏障，能把正在循環(huán)的血液和大量腦脊液隔絕，并限制許多物質進入大腦。但TiO2NPs由于其特殊的物理和化學性質，可以相對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入實驗動物的中樞神經(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)的腦膠質細胞中添加TiO2NPs發(fā)現(xiàn)，直徑25nm的TiO2NPs會引起小鼠腦膠質細胞發(fā)生嚴重的細胞炎癥反應，并抑制腦膠質細胞能量代謝。Wang等人的研究結果表明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，導致一些小鼠的海馬神經(jīng)元在吸氧時出現(xiàn)空泡化以及受到損傷的情況[17]。

1.7 對腸道的影響

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]。這有可能說是因動物的胃腸道炎癥代謝與菌群紊亂因素有關。25nmTiO2NPs經(jīng)過口染毒90d，鼠糞便中的產(chǎn)物會逐漸出現(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、葡萄糖的氧化穩(wěn)態(tài)、血液循環(huán)系統(tǒng)、氧化應激代謝反應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]，尤其是營養(yǎng)吸收的表面絨毛。急性暴露時，TiO2NPs會穿過毛囊相關上皮和正常腸上皮，定位在這些上皮層下方的組織中。如果沒有適當修復，TiO2NPs積累參與上皮結構維持基因水平蛋白質的基因失調，通過破壞細胞連接而導致細胞旁通透性增加，進而細胞旁易位[19]。這表明TiO2NPs在腸道細胞不會溶解，它們會持續(xù)存在于腸道上皮細胞中，穿透腸粘膜，導致腸壁上皮組織損傷和慢性衰竭。

2 TiO2NPs對哺乳動物的生殖毒理性

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

2.1 對雄性哺乳動物的生殖毒理性

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

在一個小鼠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可能導致的病變是一系列睪丸生精上皮細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)（計數(shù)、運動性、活力、形態(tài)和DNA質量）及體外生育力（受精率和植入前胚胎發(fā)育）。男性生殖細胞發(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。可能是自由基和隨后的脂質過氧化的結果，TiO2NPs處理導致睪丸形態(tài)有明顯的變化[22]。需要進一步了解分子機制，以評估TiO2NPs誘導內(nèi)分泌和細胞生殖毒性的可能機制。

2.2 對雌性哺乳動物的生殖毒理性

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

3 小結與展望

TiO2NPs是近年來應用較為廣泛的納米金屬氧化物材料，其應用極大地促進了納米材料在生物醫(yī)藥、農(nóng)林種植與環(huán)境科學等領域的發(fā)展，有助于研發(fā)抗腫瘤藥物，提高農(nóng)作物產(chǎn)量與質量，保護生態(tài)環(huán)境等，但與許多其他納米材料一樣，關于TiO2NPs毒性的報道使其存在爭議。因此，聯(lián)合體內(nèi)外實驗、采用多種模式生物、采取多種暴露方式，對TiO2NPs進行毒性及危險性評估和管理，尋找TiO2NPs應用的安全及有效劑量，是目前亟須解決的問題。未來，應在安全暴露劑量內(nèi)使用TiO2NPs以促進各類科學技術的發(fā)展。