戴春 黃云超 周永春

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米二氧化硅（nanoparticles silicon dioxide, nano-SiO2）作為納米材料中的重要一員，其應(yīng)用已擴展到疾病生物標記、生物運輸載體、DNA運輸載體等諸多領(lǐng)域。在日常生活中nano-SiO2也無處不在，其不但是新興材料包括塑料、橡膠、陶瓷、涂料、粘合劑等的主要成分，也是煤、石油等礦物質(zhì)燃燒的產(chǎn)物[1]。人類在nano-SiO2懸浮環(huán)境中的暴露可分為職業(yè)暴露和自然暴露。職業(yè)暴露包括陶瓷、橡膠、裝潢等行業(yè)從業(yè)人員的暴露；自然暴露包括煤、石油燃燒的產(chǎn)物、空氣污染等。nano-SiO2進入人體產(chǎn)生肺毒性主要經(jīng)過呼吸道，晶體SiO2可導(dǎo)致矽肺，肺癌等肺部疾病，對肺部的損傷毋庸置疑[2]，但SiO2與肺部腫瘤的相關(guān)性尚不明確。在1997年，國際癌癥研究機構(gòu)（International Agency for Research on Cancer, IARC）把SiO2界定為人類的致癌因子[3]。但這個結(jié)論仍存在爭議，因為當(dāng)時對暴露在SiO2環(huán)境中的人群進行的研究未排除吸煙和其他致癌因子等干擾因素的影響。而在歐洲7個國家聯(lián)合進行的INCO Copernicus study研究[4]提示人類暴露在SiO2環(huán)境中可明顯提升肺癌的發(fā)病率，鑒于該項研究全面考慮了潛在的混雜因素，如吸煙和職業(yè)暴露，因此更具說服性。但由于SiO2與肺部腫瘤的相關(guān)性及其機制仍不明確，該領(lǐng)域成為近年來的研究熱點。本文通過對納米顆粒的概述及nano-SiO2的性狀描述、環(huán)境分布和致癌機制等方面的綜述，以期為nano-SiO2肺毒性的相關(guān)研究提供參考。

1 納米顆粒的肺毒性與進入人體的途徑

1.1 納米顆粒的肺毒性概述 納米顆粒是一種大小不超過100 nm的微型顆粒，在自然界中以乳膠體、聚合物、陶瓷顆粒、金屬顆粒和碳顆粒等形式呈現(xiàn)?，F(xiàn)今納米顆粒正越來越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、防曬化妝品中，而環(huán)境中也懸浮大量的納米顆粒物。由于粒徑較小，納米顆粒能夠滲透到細胞中，并沿神經(jīng)細胞突觸、血管和淋巴血管傳播。與此同時，納米顆粒有選擇性地積累在不同的細胞和亞細胞結(jié)構(gòu)中。納米顆粒的強滲透性不僅僅為藥物的使用提供了可能性，同時，也對人體健康構(gòu)成了威脅。2009年8月19日中國研究人員在“周三報告”中顯示，在納米涂料廠工作數(shù)月的多名中國年輕女性在沒有適當(dāng)保護措施的情況下罹患了永久性肺損傷，其中有兩人死亡，這項研究首次記錄了納米技術(shù)對人類造成的健康損傷，檢查發(fā)現(xiàn)，在這些女工的工作場所、支氣管肺泡灌洗液、胸水和肺活檢組織中均找到直徑為30 nm的顆粒。Cha等[5]通過體外試驗和大鼠的體內(nèi)試驗對納米級鋅（nano-Zn）、鐵（nano-Fe）、硅（nano-Si）的細胞毒性進行檢測，結(jié)果肯定了這三種納米顆粒的細胞毒性。該實驗采用的體外試驗細胞分別是肝細胞（Huh-7）、腦細胞（A-172）、胃細胞（MKN-1）、肺細胞（A-549）和腎細胞（HEK293），納米顆粒分別是Zn（300 nm）、Fe（100 nm）以及Si（10 nm-20 nm, 40 nm-50 nm, 90 nm-110 nm）。將這些細胞分別置入到納米顆粒的環(huán)境中72 h后通過Mヰ比色法測量其細胞中線粒體的活性和DNA的含量，結(jié)果顯示在不同納米顆粒環(huán)境中線粒體活性與對照組相比均明顯下降，同時伴隨DNA含量出現(xiàn)0%-20%的下降，尤其在肝細胞和腦細胞中下降較胃細胞和肝細胞更明顯，通過大鼠體內(nèi)試驗也得出了相同的結(jié)論。由此可見納米顆粒對細胞的殺傷作用是客觀存在的，但至今仍缺乏納米顆粒對人體健康危害的充分研究，其具體致病過程尚未闡明。

1.2 納米顆粒進入人體的途徑 納米顆粒存在于大氣環(huán)境中，其主要通過以下途徑進入人體產(chǎn)生損害。

1.2.1 呼吸系統(tǒng) 呼吸道是納米顆粒進入人體的主要途徑[6]，納米顆?？梢詰腋∮诳諝猱?dāng)中，且其擴散速度與納米顆粒的直徑成反比，在空氣中漂浮的時間越長，被機體吸入的機會也就越多。研究[7]發(fā)現(xiàn)納米顆?？稍趧游锏暮粑栏鞑课患胺闻輧?nèi)沉積，雖然被吸入體內(nèi)的納米顆粒質(zhì)量濃度并不高，但由于其粒徑極小、數(shù)量大，從而為納米顆粒致肺臟損傷提供了可能。

1.2.2 消化系統(tǒng) 消化道也是納米顆粒進入人體的重要途徑之一，由于納米材料在食品及藥品中廣泛應(yīng)用，也為其通過消化系統(tǒng)進入人體提供了可能；此外，吸入的納米顆粒也可通過人體的吞咽動作進入胃腸道。經(jīng)消化道進入人體的納米顆粒大部分可通過糞便排出體外，但少量的納米顆?？杀幌勒衬の眨M入消化道毛細淋巴管，再引起胃腸道粘膜細胞的免疫應(yīng)答反應(yīng)，同時其也通過粘膜下層進入毛細血管網(wǎng)并到達全身各組織器官形成再次分布[8]。

1.2.3 皮膚 皮膚是人體阻擋外界的物理和化學(xué)刺激的重要屏障系統(tǒng)，對絕大部分損傷物質(zhì)具有初始隔離作用，但納米顆粒由于粒徑微小，經(jīng)簡單擴散或滲透等形式既可通過皮膚角質(zhì)層進入皮下組織進而被人體吸收[9]。大氣及生產(chǎn)環(huán)境中的納米顆粒是與皮膚接觸的主要途徑，而納米材料在化妝品、紡織品及藥物等領(lǐng)域的應(yīng)用同樣增加了納米顆粒通過皮膚進入人體的機會。

1.2.4 血液系統(tǒng) 納米材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，也為其提供了進入人體新的途徑。如醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、藥物的緩釋控釋、靶向載藥、腫瘤的診斷及治療等方面的應(yīng)用，都增加了納米顆粒通過靜脈血液系統(tǒng)進入人體的機會[10]。由于納米材料粒徑較小、理化性質(zhì)特殊，進入人體后不易控制等原因，故此種途徑進入人體后其危險性不容忽視。

由此可知，納米顆粒包括nano-SiO2主要通過呼吸道、消化道、皮膚進入機體，并可以通過各種途徑進入血液循環(huán)和淋巴循環(huán)而后分布到全身，到達潛在的敏感靶位點，進而產(chǎn)生一系列致病作用。這些也成為近年對納米顆粒肺毒性的研究熱點和防治重點。

2 nano-SiO2的性質(zhì)及其暴露的環(huán)境

2.1 nano-SiO2的性質(zhì) nano-SiO2是一種直徑介于1 nm-100 nm之間的SiO2粒子，因早期研究認為其對生命體不會造成直接的危害而被認為是安全的納米生物材料，已被廣泛用于疾病診斷、生物分析和成像、藥物載體等研究中[11]。由于nano-SiO2的性質(zhì)與其他材料不同，從而導(dǎo)致它具有不同的物理和化學(xué)特性。nano-SiO2有很高的表面積，該特性能促進細胞對nano-SiO2的吸收，從而對肺、大腦、骨髓、淋巴結(jié)和心臟產(chǎn)生細胞、亞細胞、蛋白質(zhì)和基因水平的損害。由于這些潛在的毒性作用，nano-SiO2對人類健康的影響正是一個新興的研究領(lǐng)域。

2.2 nano-SiO2的暴露環(huán)境 日常生活中nano-SiO2存在于油漆、涂料、塑料、合成橡膠、粘合劑及密封劑中，亦存在于煤、石油等礦物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物中。男性從事磚瓦工、木匠和建筑工人等職業(yè)都暴露于SiO2粉塵，這些職業(yè)暴露因素都增加了肺癌的發(fā)病風(fēng)險，且這些因素和吸煙對肺癌的影響是獨立的。一項歐洲的多中心研究（multicentre casereferent study）發(fā)現(xiàn)，綜合考慮了性別、年齡等因素后暴露于SiO2粉塵中的非吸煙者的癌癥發(fā)病率顯著提高[12]。1979年-2006年印度的肺癌流行病學(xué)研究也顯示：暴露在二氧化硅環(huán)境中的患者肺癌的發(fā)病率接近普通未暴露在SiO2環(huán)境中患者肺癌發(fā)病率的兩倍[13]。而在國內(nèi)，中國云南省宣威地區(qū)是世界非吸煙女性肺癌發(fā)病率最高的地區(qū)之一，既往研究[14,15]表明，宣威地區(qū)女性肺癌高發(fā)與當(dāng)?shù)亻_采和使用的C1煙煤及其燃燒產(chǎn)物（底灰和煙塵）中含有的大量超細SiO2顆粒物緊密聯(lián)系，目前該課題組正在深入探討其作用機制。

由此可見nano-SiO2不僅存在于生物材料中，其也在自然界中廣泛分布。所以人體不僅在職業(yè)生產(chǎn)過程中會暴露于SiO2環(huán)境中，其在日常生活中也會暴露于SiO2環(huán)境中，加之nano-SiO2顆粒直徑小，可懸浮在空氣中，從而增加了人體的暴露風(fēng)險。以上實驗也同時證明了nano-SiO2的肺毒性。

3 nano-SiO2致病機理的研究進展

目前對nano-SiO2的肺毒性的致病機理的研究主要集中在細胞水平和基因水平。細胞水平主要是破壞細胞膜、損傷細胞器及改變細胞的生長周期而基因水平的損傷則主要通過氧化應(yīng)激系統(tǒng)（reactive oxygen species, ROS）損傷遺傳物質(zhì)。

3.1 細胞水平危害的相關(guān)研究 納米級SiO2很容易進入細胞膜，并在細胞質(zhì)中積累，從而破壞細胞的新陳代謝、誘導(dǎo)細胞功能障礙、癌變、甚至死亡[16-18]。nano-SiO2對細胞的損害已得到大量實驗的證實，而nano-SiO2的直徑是否與其損傷程度成相關(guān)性，不同的學(xué)者得到了不同的結(jié)論。

Kasper等[19]通過檢測細胞毒性因子以及炎癥反應(yīng)因子來測定不同大小nano-SiO2（30 nm, 70 nm, 300 nm）對肺上皮細胞NCI H441細胞株和內(nèi)皮細胞的ISO-HAS-1細胞的毒性作用，研究顯示flotillin蛋白介導(dǎo)了細胞對nano-SiO2的吞噬。在該項研究中，去除flotillin蛋白的H441細胞對不定形nano-SiO2的吸收明顯減少，與對照組相比，去除flotillin蛋白的細胞暴露在nano-SiO2環(huán)境中的生存率也明顯下降；同時該研究也證實了納米顆粒大小對細胞毒性和炎癥反應(yīng)的負相關(guān)關(guān)系，即納米顆粒的直徑越小對細胞造成有害影響就越大。

Duan等[20]通過實驗及形態(tài)學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過15 nm、30 nm、100 nm和微米級SiO2粒子10 g/mL接觸24 h的HaCaT細胞的生長明顯被抑制，細胞失去細胞壁變得萎縮，甚至死亡，被15 nm和30 nm SiO2浸潤的細胞比微粒SiO2浸潤的細胞形態(tài)的變化更明顯。此外，有研究[21]也顯示：SiO2誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS可以通過脂質(zhì)過氧化反應(yīng)引起細胞膜損傷。值得一提的是，有研究測定了暴露在無定形納米（10 nm、80 nm）SiO2中48 h的A549細胞的細胞毒性（通過MMT和LDH測定）和氧化應(yīng)激反應(yīng)（ROS水平，膜脂質(zhì)過氧化、谷胱甘肽水平和活動的谷胱甘肽代謝酶），結(jié)果提示：nano-SiO2主要通過ROS和膜脂質(zhì)過氧化作用對細胞產(chǎn)生損傷，而不是消耗谷胱甘肽（glutathione, GSH）[22]。也有相反的研究不支持nano-SiO2粒徑與肺損傷呈負相關(guān)關(guān)系，如Cha等[5]用MTT比色法測量了暴露在nano-SiO2環(huán)境中肺細胞的活性，但結(jié)果提示10 nm-20 nm、40 nm-50 nm、90 nm-110 nm的SiO2均可使肺細胞發(fā)生不同程度的損傷，而損傷程度與nano-SiO2的直徑無直接關(guān)系。

綜上所述，nano-SiO2對機體的毒作用機制有氧化損傷及炎癥反應(yīng)、影響細胞凋亡改變細胞周期、細胞膜毒性以及DNA損傷等多個方面。雖然國內(nèi)外已有相關(guān)研究，但對nano-SiO2顆粒如何進入線粒體并導(dǎo)致線粒體損傷的機理，以及等劑量同濃度的不同顆粒直徑的納米顆粒對機體毒性作用等方面還有待深入研究。

3.2 基因水平危害的相關(guān)研究 有研究[23]顯示nano-SiO2可對細胞造成損傷，影響細胞復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、增殖，在一定條件下可以轉(zhuǎn)移到細胞核內(nèi)，也可造成主要靶器官肺臟及脾臟的損傷。nano-SiO2的基因毒性主要由炎癥反應(yīng)中的ROS途徑介導(dǎo)，加之染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變異、溶酶體釋放脫氧核糖核酸酶，從而產(chǎn)生了損傷細胞遺傳物質(zhì)穩(wěn)定性的復(fù)雜誘導(dǎo)物[24]。

Musa等[25]通過彗星實驗和小鼠淋巴瘤細胞實驗（mouse lymphoma assay, MLA）檢測了小鼠的淋巴結(jié)細胞和人肺支氣管上皮細胞（BEAS-2B）在nano-SiO2環(huán)境下的基因毒性，結(jié)果提示nano-SiO2能夠引起細胞毒性和初級DNA損傷而不會導(dǎo)致染色體水平的刪除及變異Gerloff等[26]將結(jié)腸腺癌細胞（Caco-2細胞模型）暴露在nano-SiO2中24 h后可引起DNA的損傷和總GSH的耗竭，并最終導(dǎo)致細胞的死亡。

Cha等[5]測量暴露在nano-SiO2環(huán)境中細胞核DNA的含量（將具有熒光性的雙苯酰亞胺H33258植入到染色體中從而測量DNA的含量），其結(jié)果提示10 nm-20 nm、40 nm-50 nm、90 nm-110 nm的SiO2均可使DNA發(fā)生改變。

以上研究提示：體積小和高表面積的nano-SiO2能導(dǎo)致難以預(yù)測的基因毒性，人體的氧化應(yīng)激系統(tǒng)參與了nano-SiO2對人體遺傳物質(zhì)的損傷，而且不同粒徑的nano-SiO2對DNA的損傷程度存在差異，而在細胞代謝、信號通路及與其他物質(zhì)伴隨作用等方面的機制仍具有廣泛的研究前景。

4 nano-SiO2的肺毒性的研究總結(jié)及展望

nano-SiO2廣泛存在于油漆、涂料、塑料、合成橡膠、粘合劑及密封劑中，亦存在于煤、石油等礦物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物中，可通過呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)和血液系統(tǒng)等途徑對人體產(chǎn)生損傷，其與肺癌的相關(guān)性已經(jīng)得到肯定[27]，但具體致癌機制尚不清楚。如：Kasper等[19]對flotillin蛋白介導(dǎo)nano-SiO2的內(nèi)吞作用提出了假設(shè)，但未對其具體過程進行論證。Cha等[5]通過對染色體的測定也觀察到nano-SiO2對基因有明顯的損傷，但也未闡明其損傷機制。這些都為我們研究nano-SiO2對人體呼吸系統(tǒng)的損害機制提供指導(dǎo)和切入點。