納米銀生物過程及影響的研究進展

徐　明，王　哲，劉思金

(中國科學院生態環境研究中心，環境化學與生態毒理學國家重點實驗室，北京 100085)

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納米銀生物過程及影響的研究進展

徐明，王哲，劉思金

(中國科學院生態環境研究中心，環境化學與生態毒理學國家重點實驗室，北京 100085)

摘要：納米銀是目前全球產量和使用量最大的人工納米材料之一。由于其優良的抗菌等特性，納米銀應用范圍廣泛，與人們的生產、生活密切相關。隨著納米銀在工業品、醫療品和生活用品中日益廣泛的應用，其伴隨的環境與健康風險也日益受到人們的關注，并成為重要的研究熱點。近年來，關于納米銀的生物過程、生物效應及其相關分子作用機制的研究都取得重要進展，為全面地闡明納米銀的環境和生物安全性提供了重要的理論依據。為了更深入地理解納米銀暴露的環境健康危害，系統地總結了納米銀進入生物體的途徑以及在生物體內的組織分布；納米銀與生物分子的相互作用；納米銀進入細胞的途徑以及引發致死效應的毒性機制等方面的研究現狀和進展。此外，還闡述了納米銀的環境健康風險及其在低劑量暴露條件下引發生物體非致死效應的作用機制，并對未來可能的研究前景進行了展望。

關鍵詞：納米銀；生物過程；致死效應；非致死效應；環境健康風險

1前言

隨著納米科技的發展，越來越多的人工納米材料被應用到人類的生活和生產過程中。不同于常規材料，納米材料由于其獨特的尺寸和表面性能，因而在光、電、熱、磁等性質上具有獨特的微觀效應，可以根據不同的用途進行設計和改造。其中，納米銀(Silver Nanoparticles, AgNPs)是最為重要的人工納米材料之一，由于其優良的抗菌等特性，已經成功地推廣和應用到多個領域內(如醫療、建筑、水處理等)。目前，由于其廣闊的應用前景，納米銀仍然是重要的研究熱點，而且越來越多的人力和物力投入到納米銀產品的研發。然而，目前關于納米銀的生物安全性和潛在生物毒性的研究遠遠落后于對納米銀性能及應用方面的研究。為了更深入地理解納米銀暴露的環境健康危害，作者課題組系統地總結了近年來有關納米銀的生物過程、生物效應及其分子作用機制的研究，并指出納米銀安全性研究中存在的問題。

2納米銀的基本性質

AgNPs是最重要的金屬類人工納米材料之一。納米銀顆粒是直徑在1~100 nm、含有20~15 000個銀原子的銀原子簇[1-2]。目前，市場上的人工納米產品中，納米銀產品占據非常大的比例，其生產和開發規模也日益擴大。近年來，納米銀合成方法已經被廣泛和深入地探索(如化學還原法、光學還原法、電化學法等)，各種具有不同形貌(如納米球、納米線、納米片、納米立方體等)和表面性質(正電荷、負電荷、極性和非極性等)的納米銀材料被不斷開發出來[1]。這些納米銀材料具有不同的光、電和催化性質，如球形納米銀顆粒的表面等離子體子共振性質(Surface Plasmon Resonance, SPR)就與其尺寸緊密相關。此外，作為新一代的抗菌劑，納米銀具有廣譜抗菌特性，能有效抑制和殺死細菌、真菌、霉菌等微生物，這些特點也使得納米銀具有非常大的應用潛力。

3納米銀的功能和應用

相對于塊狀銀，納米銀顆粒由于其比表面積高、催化活性高、表面活性強等優點而受到廣泛的關注，并成功應用到光學、醫療和食品等領域[1,3]。作為發展最快的人工納米產品之一，納米銀產品主要生產于美國、亞洲和歐洲地區[2]。據報道，在中國大陸生產的含有人工納米材料的醫療器械產品中，接近60%的產品含有納米銀抗菌成分[4]。由于其廣譜的抗菌活性，納米銀已被作為抗菌劑添加至多種商品中，包括：①抗菌織物(如抗菌紗布)，作為外科手術紗布，可以治療燒傷、燙傷等；②醫療器械(如手術刀)，可增強器械的抗菌能力；③建材涂料，可有效殺滅建材表面細菌并抑制其生長；④導尿管、婦科栓劑、食品包裝、凈水處理、生活日用品等方面[5]。未來，隨著納米銀產品的開發和市場需求的增加，納米銀產品的種類和數量都會日益擴大，相應的人體暴露風險也不斷增加。

4納米銀進入生物體的主要途徑和組織分布

隨著納米銀的廣泛使用，人體暴露的風險也不斷增加，特別是經常接觸含有納米銀醫用品(如納米銀的噴劑、繃帶、醫療器械等)的病人和醫生，或長期使用含有納米銀工業品和生活品(如含納米銀的涂料、食品包裝等)的人群，長期的接觸可能會對人體健康產生潛在的威脅。根據暴露途徑的不同，納米銀顆粒可通過呼吸道、消化道、皮膚及直接包埋等途徑進入人體的循環系統，然后被特定的臟器(如肝臟和脾臟)吸收和積累，并最終通過代謝系統排出體外。根據已有的研究報道，納米銀進入生物體的能力與其顆粒大小及表面性質緊密相關，并最終影響其在生物體內的分布[6]。目前，已知納米銀主要分布和累積于生物體的肝臟、脾臟、肺、腎、腦等重要的器官(如圖1)。

圖1　納米銀的人體暴露途徑和組織分布示意圖Fig.1　The exposure routes and organ distribution of AgNPs

不同于金屬離子，金屬納米顆粒在生物體內的代謝和排泄要困難的多，比如通過呼吸系統進入人體的納米顆粒的半衰期可長達700天之久[7]。本研究組前期的研究也發現，通過腹腔注射和尾靜脈注射的方式對實驗動物BALB/c小鼠進行納米銀暴露，實驗結果表明納米銀主要累積于小鼠的肝臟和脾臟，而且其在小鼠肝臟中停留的時間可超過4個月之久[8]。這意味著納米銀顆粒一旦進入生物體，就很難被清除。雖然目前還沒有納米銀直接致病的報道，但大量基于動物和體外細胞的科學研究都證明了納米銀的生物毒性[1,6,9]，如小鼠和大鼠分別暴露納米銀1天和28天后，其肝臟會吸收超過20%的納米銀[10-11]，且高劑量的納米銀暴露(> 20 mg/kg)會導致其肝功能的損傷。因而，納米銀的長期暴露所引發的潛在健康風險依然不能被忽視。

5納米銀與生物分子的相互作用

在進入生物體后，納米銀顆粒會與多種生物分子(如蛋白、DNA和RNA等)發生直接或間接的相互作用，這種相互作用的強弱取決于納米銀顆粒的理化性質(如尺寸、形狀、電荷、極性等)。此外，同原始的納米銀顆粒比較，與生物分子發生相互作用后的納米銀顆粒的理化性質和狀態也會發生變化，并最終決定其在生物體內的行為。

5.1納米銀與蛋白的相互作用

當納米銀顆粒進入生物介質后(如血液)，由于顆粒表面帶有電荷或有機分子，生物介質中的蛋白就會吸附在其顆粒的表面，并形成一層“蛋白冠界面(Protein Corona)”(如圖2)，該層界面的形成是一個動態的過程[12]。伴隨著納米銀顆粒所處環境的改變，由于蛋白親和能力的不同，蛋白分子會在納米銀顆粒表面不斷地被吸附和解離。這些被吸附的蛋白分子的生物功能也決定了納米銀顆粒與生物體發生相互作用的過程，如被細胞識別和吞噬的過程、引起機體的免疫反應、觸發機體的應激反應等。Walkey等通過鑒定和比較不同納米銀表面蛋白冠界面的“指紋圖譜(Fingerprint)”研究并預測了不同納米銀顆粒與細胞的相互作用，結果表明透明質酸連接蛋白(Hyaluronan-Binding Proteins)可能是介導納米顆粒與細胞間相互作用的一類重要蛋白分子[13]。同時，多項研究也證明血清和胞內蛋白，如白蛋白(Albumin)[14]、肌動蛋白(Actin)[15]、泛素蛋白(Ubiquitin)[16]等都會與納米銀的表面發生直接的相互作用，并改變納米銀的生物學特性(Biological Identity)和行為。

圖2　納米銀顆粒與蛋白直接相互作用的示意圖Fig.2　Schematic diagram of the direct interaction between AgNPs and protein molecules

此外，由于納米銀顆粒會被氧化而釋放出銀離子(Ag+)，其釋放出的Ag+也會同蛋白等生物分子發生相互作用，如與蛋白分子中的目標基團(如巰基、羥基和磷酸基等)結合，形成“Ag-生物分子”復合物，進而破壞生物分子的生物功能和代謝過程。本研究組前期的研究發現，在細胞內，納米銀顆粒具有“特洛伊木馬(Trojan Horse)”效應[17]，進入細胞后能夠進一步釋放銀離子，并產生細胞毒性。Xiu等通過實驗證明，在無氧環境中，因為納米銀不會被氧化而釋放Ag+，其對大腸桿菌幾乎沒有毒性，所以推測納米銀釋放的銀離子才是納米銀毒性的主要原因[18]。Loza等研究和比較了納米銀在不同生物介質中的銀離子釋放情況，同樣發現處于還原或無氧條件下的納米銀更加穩定，釋放出比較少的銀離子而具有更低的細胞毒性[19]。

5.2納米銀與DNA的相互作用

納米銀暴露對生物體遺傳物質(如DNA)的損傷也是其產生生物毒性并帶來潛在健康風險的主要途徑之一。根據報道，Hackenberg等發現納米銀顆粒可以進入人間充質干細胞的細胞核，并造成細胞DNA的損傷，產生遺傳毒性[20]。Ahamed等研究和比較了具有不同表面化學性質的納米銀對小鼠胚胎干細胞和成纖維細胞的DNA損傷，發現損傷的程度與納米銀顆粒的表面性質有緊密的關系[21]。此外，動物實驗也進一步的證實了納米銀的遺傳毒性和對遺傳物質的損傷[22-23]。Kowuru 等發現小鼠經口途徑暴露PVP修飾的納米銀后，會造成發育過程中小鼠胚胎的DNA缺失、骨髓不可逆的染色體損傷、外周血和骨髓DNA雙鏈的斷裂和氧化損傷[23]。

研究證明，納米銀和銀離子都會引起細胞的氧化應激，并造成胞內活性氧(ROS)水平的上升[24]，而增加的ROS會破壞DNA分子。Hussain等報道納米銀暴露24h會導致大鼠肝細胞(BRL 3A)的氧化應激，細胞內的谷胱甘肽(GSH)水平明顯降低，而ROS的水平明顯上升[25]。Kim等發現納米銀暴露的人肝癌細胞(HepG2)中，由納米銀引起的DNA損傷可以被抗氧化物(N-乙酰半胱氨酸)阻止[26]。因而，細胞在暴露納米銀后，胞內ROS的含量增加，可能會破壞胞內的氧化還原平衡并導致細胞的凋亡。

然而，納米銀和DNA分子發生相互作用，并造成DNA損傷的具體分子機制還沒有完全清楚。特別是，DNA損傷到底由納米銀顆粒本身，其釋放的Ag+，還是二者共同作用造成的？除了對DNA雙鏈的直接破壞，納米顆粒暴露是否還可能對DNA的修飾(如DNA甲基化)產生影響，從而進一步影響生物正常的遺傳和發育？除了DNA分子，納米銀是否還會和其它遺傳物質(如RNA分子)發生相互作用，并破壞其結構和功能？這些問題都有待于進一步研究。

6納米銀進入細胞的途徑與機制

納米顆粒能否進入細胞以及在細胞內的分布是其發揮生物效應和毒性作用的基礎[27]。研究表明，納米銀主要通過主動的內吞(Endocytosis)途徑進入細胞，并且該過程與細胞類型密切相關。對于非吞噬性的真核細胞(如上皮細胞和神經細胞)，納米銀可以通過包括：①網格蛋白(Clathrin)依賴的內吞作用；②小窩蛋白(Caveolin)依賴的內吞作用；③網格蛋白和小窩蛋白非依賴的內吞作用；④大胞飲作用(Pinocytosis)在內的多種途徑轉運入細胞內[28 - 30]。對于吞噬性的真核細胞(如巨噬細胞和單核細胞)，吞噬作用(Phagorytosis)則是納米銀跨膜轉運的主要機制[31-32]。這些不同的內化途徑已通過特異性的抑制劑、顯性失活突變體和基因敲除等多種手段證實。此外，納米銀的細胞攝取過程可以同時涉及多種內吞作用。例如，氯丙嗪(Chlorpromazine，一種網格蛋白抑制劑)和渥曼青霉素(Wortmannin，一種胞飲作用抑制劑)預處理人間葉干細胞后，納米銀的細胞攝入量明顯減少，這表明網格蛋白依賴的內吞作用和大胞飲作用同時存在于納米銀的胞內轉運過程[30]。再如，通過使用多聚肌苷酸(Polyinosinic Acid，清道夫受體結合抑制劑)、氯丙嗪、制霉菌素(Nystatin，一種小窩蛋白抑制劑)和細胞松弛素(Cytochalasin，一種肌動蛋白抑制劑)等多種抑制劑，證實納米銀顆粒會與細胞表面的清道夫受體發生相互作用，然后經過網格蛋白和肌動蛋白依賴的內吞作用被吞噬入小鼠巨噬細胞J774A.1的胞內[31]。進入細胞后，納米銀顆粒主要存在于內吞體中，后者可進一步與溶酶體融合。同時，內吞體和溶酶體中的納米銀顆粒可逃逸到細胞質中，并進入其它亞細胞器(如線粒體和細胞核)。

納米顆粒的幾何結構(如尺寸、形狀和比表面積)、表面配體和配體密度都是影響其與膜蛋白發生相互作用，并進入細胞的關鍵因素[33]。這種相互作用除了依賴于納米顆粒自身的理化性質，還取決于納米顆粒表面所形成的生物界面(如蛋白冠界面)。納米顆粒表面吸附的蛋白分子的結構和功能可以進一步影響納米顆粒與膜受體、膜蛋白之間的相互作用[34-36]。研究表明，小尺寸納米銀(10 nm)比大尺寸納米銀(20 nm和40 nm)更易被細胞攝入[37]。相對于橢圓形和盤形的納米銀，球形納米銀更容易進入細胞[38-39]。此外，表面修飾也是影響納米銀顆粒進入細胞的重要因素，例如，支氣管上皮細胞對無表面修飾的納米銀的攝入量達到10 pg Ag/cell，而對PVP和檸檬酸修飾的納米銀的攝入量則少于4 pg Ag/cell[40]。值得注意的是，納米銀在生物體內的物理轉化(如團聚)和化學轉化(如溶解)也會顯著改變其細胞攝入和組織分布等相互作用過程[40-42]。

7納米銀的生物毒性機制

納米銀進入生物體和細胞后會引起一系列的生物效應。這些生物效應的強弱又與納米銀自身理化性質、暴露劑量和暴露時間緊密相關。納米銀不合適的形貌和表面修飾、過高的納米銀暴露劑量或過長的暴露時間都會誘發明顯的生物毒性，如導致細胞形態異常，細胞生長速率下降，生理器官的病變和衰竭等[43-46]。例如， Carlson等發現，在相同的暴露劑量下(15 μg/mL)，15 nm的納米銀能夠使細胞活力降低85%以上，而55 nm的納米銀僅使細胞活力降低了約15%[47]；Ahamed等發現，表面具有多糖修飾的納米銀所引發的 DNA 損傷和細胞凋亡要強于表面無修飾的納米銀[48]。

7.1氧化自由基(ROS)的生成

大量體外細胞實驗的研究結果表明，ROS的產生和氧化應激是納米銀誘發生物毒性效應的主要機制[49]。由于納米銀顆粒具有“Trojan Horse” 效應[17]，在進入細胞和生物體后，可以在胞內或體內釋放Ag+，并導致ROS水平的上升和多種氧化應激反應，最終造成對細胞和組織的損傷。ROS的產生可能由納米銀的“顆粒效應”和“Ag+離子效應”共同作用而引起，其可能的機制：①納米銀顆粒進入線粒體，并誘發線粒體的機械性損傷，阻斷電子在呼吸鏈上的傳遞，最終破壞線粒體的功能，導致細胞內的ROS增加[28]；②Ag可以取代蛋白分子中的Fe2+離子，后者則可通過Fenton反應產生ROS[50-52]；③Ag可以破壞胞內的氧化還原平衡，如與抗氧化劑谷胱甘肽(Glutathione)結合，降低胞內還原分子的水平，導致過量的ROS無法被清除[43-44]，過多的ROS可以導致炎癥反應和細胞死亡[53-54]。納米銀誘發產生高水平的ROS可以通過以下幾種途徑導致細胞死亡：①引發脂質過氧化，提高膜通透性；②激活線粒體相關的凋亡通路；③干擾細胞自噬過程；④氧化損傷DNA，阻滯細胞周期。

7.2觸發凋亡、壞死和自噬過程

研究表明，納米銀暴露可以引發不同類型的細胞死亡過程(凋亡、壞死和自噬)[55-56]。納米銀誘發產生的ROS可以激活JNK(Jun-N Terminal Kinase)和p53蛋白，伴隨前凋亡體Bax向線粒體的轉運以及線粒體中細胞色素C(激活Caspase的活化劑)的釋放，從而引發線粒體依賴的細胞凋亡[57]。隨著暴露劑量的增加和暴露時間的延長，納米銀可進一步引發細胞壞死。除了線粒體，高水平的ROS還可以通過內質網(Endoplasmic Reticulum, ER)應激加速細胞凋亡[58]。自噬(Autophagy)是細胞的一種生存機制，可以清除衰老的蛋白分子和損傷的細胞器，同時，它也是細胞對氧化應激的一種生理反應[59-60]。最近的研究發現，納米銀處理細胞后誘發的高水平ROS可以干擾自噬體與溶酶體的融合，最終引發細胞凋亡或者自噬性細胞死亡[56]。此外，ROS和氧化應激還可引發DNA 損傷。ROS被認為是導致DNA自發性損傷的主要來源，例如，高反應活性的羥基自由基(OH·)可以導致DNA發生突變，形成 8-羥基腺嘌呤和 8-羥基鳥嘌呤結構，降低重復序列的穩定性，進而引起DNA發生單鏈和雙鏈的斷裂、鏈內和鏈間的交聯[28,61]。DNA損傷將會引起細胞周期停滯，為DNA修飾提供時間。如果DNA損傷無法完全修復，細胞將會進入程序性死亡即凋亡過程。Eom和Choi等發現T細胞在暴露納米銀后，其誘發的ROS和氧化應激，會進一步活化p38絲裂原活化的蛋白激酶(MAPK)，導致DNA鏈斷裂，細胞周期停滯于G2/M期，細胞活力顯著下降[62]。

8納米銀的環境健康風險與機制

在實際環境中，Ag在地表水體(主要是河流和湖泊)中的含量為0.2~2 μg/L，在土壤中的含量為200~300 μg/kg，在空氣中的含量則低于1 × 10-6μg/L[63]。目前，雖然還沒有關于實際環境中納米銀相關研究的報道，但是隨著人類生產和生活過程中納米銀的釋放，其帶來的環境和健康風險也不能被忽視[64]。除了納米銀自身可能帶來的風險，進入實際環境的納米銀還可以進一步發生，例如團聚、離子釋放、與有毒污染物相互作用、結合天然有機物等環境轉化過程，這些轉化可能會改變納米銀的生物有效性，帶來其它的潛在風險[65]。

8.1納米銀的非致死效應

在洗滌過程中，醫療用品(如紗布)和日用品(如襪子)中所含的納米銀，可能會脫落并釋放到城市污水中，隨著排放進入水環境或底部污泥，進而進入土壤[66-67]。由于納米銀具有抑菌特性[68-69]，分散在環境中的納米銀可能會破壞水體和土壤中微生物群落(如細菌)的生態平衡。已有研究報道，納米銀會抑制污水處理系統中細菌(如硝化細菌)的生長，并干擾土壤中微生物群落的正常功能[67,70]。另一方面，納米銀的釋放可能會進一步提高水體和土壤中細菌對Ag的耐受性[70-71]。Xiu等發現大腸桿菌(E.coli)暴露于不同尺寸和表面修飾的納米銀6 h后，相對于無納米銀處理的對照組，低劑量納米銀(2~7 μg/mL)暴露組的存活率增加了6%~21%，這說明非致死劑量的納米銀可以提高細菌的存活率和耐受性[72]。除了細菌，據報道，非致死劑量的納米銀暴露可以干擾魚類胚胎的發育過程。Lee等發現，納米銀顆粒可以進入斑馬魚胚胎，并沉積于大腦、心臟、腮部和尾部，導致胚胎發育畸形和形態異常[41]。該項研究中所使用的納米銀暴露劑量(4~71 ng/L)與污染水體中的Ag含量類似[64]，這也說明水體中如果發生納米銀污染，確實可能會對水生生物帶來威脅。

納米銀進入動物體內所引發的健康危害已有報道。急性和高劑量暴露可以導致實驗動物死亡[73-74]，而慢性和低劑量納米銀暴露則會引起局部炎癥反應并造成組織器官損傷。Wang等通過口咽滴入的方式對小鼠暴露低劑量的納米銀溶液后，觀察到肺部炎癥和輕度纖維化[75]。這項研究所使用的暴露劑量(0.1，0.5，1.0 mg/kg)是根據納米銀在其生產車間空氣中的實際含量推算出來的，具有環境相關性[75-76]。本研究組的研究結果發現，對 BALB/C 小鼠暴露低劑量的納米銀(22 μg/kg和108 μg/kg)后，可以在胎兒體內，尤其是在胎肝中檢測到銀，且累積于胎兒體內的納米銀會導致胚胎發育遲緩。同時，納米銀暴露后，母體小鼠并沒有發生飲食和運動異常、器官損傷及血液指標的變化[8]。

雖然納米銀在醫療衛生用品中已有應用，但目前鮮有關于納米銀中毒的報道。據研究報道，臨床上納米銀的慢性中毒通常表現為皮膚變色，即銀質沉著(Argyria)，它既可以是局部性的，也可以是全身的[49]。此外，納米銀生產和應用過程中的長期低劑量的職業暴露也不能被忽視。在過去的研究中，低劑量納米銀的生物效應研究的比較少，但是低劑量暴露可以更客觀地反映環境中可能的納米銀暴露的特征。因此，在未來的研究中，還需要更多地關注低劑量納米銀暴露的潛在環境與健康危害。

8.2納米銀非致死效應的分子機制

納米銀高劑量和低劑量暴露不僅引發的毒性效應不同，而且相應的分子機制也不完全相同。雖然二者引發的毒性作用均與納米銀的理化性質、生物體和細胞內的分布以及Ag+的毒性密切相關，但是，高劑量的納米銀暴露主要誘發ROS產生和氧化應激，導致細胞形態異常和細胞死亡；低劑量的納米銀暴露可以干擾細胞內生物分子的功能及其介導的信號轉導，引發細胞功能障礙，參與更廣泛的生物學過程，并且細胞中沒有檢測到大量的ROS，細胞活力沒有顯著下降[77]。因而，低劑量納米銀暴露條件下，其觸發的生物效應和潛在機制也值得深入的研究和探索。

8.2.1影響細胞的能量平衡和代謝

線粒體是哺乳動物細胞產生能量并維持能量平衡的重要細胞器[78]。高劑量的納米銀干擾細胞內的氧化還原平衡，誘導產生ROS，進而提高線粒體膜的通透性，使呼吸鏈的氧化磷酸化接偶聯，中斷ATP的合成，導致DNA 損傷和細胞凋亡[79-80]。而低劑量的納米銀則可以抑制線粒體呼吸鏈復合體的活性，改變能量代謝相關基因的表達水平和蛋白水平，進而破壞細胞內的能量平衡[81-82]。本研究組的研究發現，低劑量的納米銀可以抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助活化因子1α(PGC-1α，控制能量代謝的關鍵調節因子)以及丙酮酸脫氫酶(PDH，起始氧化磷酸化的關鍵酶)的濃度，引發細胞能量穩態從氧化磷酸化為主的有氧代謝轉換到糖酵解為主的無氧代謝，導致能量代謝的重新編程(Energy Metabolism Reprogramming)[81]。

8.2.2促進細胞增殖相關基因的表達

雖然高劑量和低劑量的納米銀均可以改變細胞的基因表達譜，但前者常常提高與應激反應有關的基因的表達水平，降低與細胞周期相關的基因的表達水平；后者則更易于促進與細胞增殖有關的基因的表達[83-84]。Kawata等發現，當暴露劑量(1 μg/mL)對肝細胞的生存能力沒有影響時，納米銀導致細胞內236個基因的表達水平上升，其中122個基因參與細胞增殖和細胞周期進程，包括M期，基于微管的細胞活動，DNA合成和胞內轉運[84]。需要指出的是，在該實驗條件下，細胞內沒有明顯檢測到ROS的產生以及應激相關基因的表達。

8.2.3抑制細胞內RNA的轉錄

納米顆粒不僅可以通過ROS引發DNA點突變和DNA鏈斷裂，也可以通過損害細胞轉錄機器而干擾遺傳信息的完整性[85]。本研究組的研究結果顯示, 當細胞存活率為100%時，紅細胞前體細胞在暴露低劑量納米銀(1~8 μg/mL)48 h后，細胞內mRNA，18S rRNA 和 28S rRNA 的轉錄水平均下降。通過體外結合實驗和免疫共沉淀實驗，證實納米銀可以原位結合RNA 聚合酶，抑制聚合酶介導的RNA轉錄效應，從而降低細胞內整體基因的表達水平，擾亂遺傳信息傳遞的穩定性[17]。進一步的動物實驗證明了納米銀可以抑制紅細胞前體細胞內RNA的轉錄水平。E14.5天的胎肝中90%的細胞屬于紅系前體細胞，是研究紅細胞生成的理想模型[86]。在BALB/c小鼠暴露22 μg/kg納米銀4周后，進行組內交配，并于E14.5天時取出胚胎，對胎肝細胞進行基因芯片分析，發現納米銀暴露后有301個基因的表達水平發生了改變，其中有264個基因的表達水平被抑制[17]。這些被抑制的基因大部分與造血和紅細胞生成密切相關。納米銀對造血相關基因表達水平的抑制作用導致紅細胞生成發生障礙，引發貧血和胚胎發育遲緩。

9結語

納米銀是目前全球產量和使用量最大的人工納米材料之一。由于其優良的抑菌特性，納米銀應用范圍很廣，與人們的生活與醫療等密切相關。這種背景下，納米銀可經皮膚、呼吸系統、消化系統或破損處進入人體，對機體造成潛在的損傷。盡管目前沒有關于納米銀直接造成人體健康危害的報道，但其潛在的健康風險已日益受到關注。

到目前為止，雖然已開展了一些研究并取得了一定的成果，仍存在諸多的問題，尚待深入探索：①用于定性定量檢測以及原位表征生物介質中納米銀(納米形態和變化后的賦存形態等)的技術手段還不完善；②納米銀與生物分子的相互作用(特別是蛋白分子)機制仍不清楚，同時對于這種相互作用如何影響其生物效應等需要深入探索；③納米銀在生物系統中的組織分布、傳遞及累積微觀過程等尚不明確；④大多數研究僅考察原始態納米銀的生物效應，而對于機體的實際暴露形態(即在環境介質和生物介質中發生變化后的賦存狀態)對其生物效應的影響尚不了解；⑤多數研究采用急性暴露方式，納米材料的使用劑量較大，無法客觀地反映實際日常生活或者醫療背景下納米材料低劑量暴露的安全性特征，需要更多的研究關注低劑量暴露的潛在健康危害。圍繞納米銀在生命體內的生物過程及影響，上述這些問題亟待展開深入研究。

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(編輯蓋少飛)

大連化學物理研究所金催化劑研究取得新進展

近日，中國科學院大連化學物理研究所航天催化與新材料研究室在金催化劑研究方面取得新進展，首次發現了在高溫氧化條件下的金與非金屬氧化物之間的金屬載體強相互作用(SMSI)效應，研究成果以通訊形式發表在JournaloftheAmericanChemicalSociety上。

20世紀70年代末80年代初，研究人員發現二氧化鈦等可還原性載體負載的Pt族金屬在高溫(500 ℃)還原后會失去對小分子(CO,H2)的吸附性能，并將該現象命名為金屬載體強相互作用(SMSI)。SMSI能夠改變金屬納米粒子的形貌和電子性質，因此可以改變反應活性與選擇性，對催化劑的催化性能具有重要影響。同時，SMSI通常伴隨著載體對金屬顆粒的包埋從而在很大程度上能夠有效地穩定金屬粒子，這有助于制備穩定型金屬催化劑。

20世紀80年代末以來，由于其獨特的催化性能，負載型金催化劑的研究受到了廣泛而持續的關注。然而負載型金催化劑與載體是否能形成強相互作用，長期以來一直沒有定論。近期臺灣國立大學教授牟中原研究組首次發現氧化鋅納米棒負載Au納米粒子可以在氧化條件下形成SMSI。大連化物所張濤和王軍虎研究團隊在多年羥基磷灰石(HAP)負載金屬催化劑的研究基礎上，首次發現Au與HAP能夠形成典型的SMSI效應。該SMSI效應與經典的SMSI效應相比除發生條件相反(前者發生在氧化環境，后者發生在還原環境)外，其余特征均一致。Au/HAP之間的SMSI不僅能夠有效提升金納米粒子的高溫抗燒結性能，并且能夠提高催化劑在液相反應中的選擇性和重復使用性能。進一步研究發現該SMSI體系可以擴展到金與其它磷酸鹽體系，比如Au/LaPO4體系。該研究發現為設計和制備兼具高穩定性和選擇性可調節的負載型金催化劑提供了新的研究思路和制備方法。

上述研究工作得到國家自然科學基金委的資助。

From http://www.cas.cn/syky/201601/t20160120_4521308.shtml

Research Progress on the Biological Process and Effect ofSilver Nanoparticles

XU Ming，WANG Zhe，LIU Sijin

(State Key Laboratory of Environmental Chemistry and Ecotoxicology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China)

Abstract：With the increasing development of nanomaterials, silver nanoparticles (AgNPs) have become one of the most widely produced and used artificial nanomaterials in global markets. Due to their excellent antimicrobial activity, AgNPs have been applied in a wide spectrum of fields, including industry, medicine and consumer products. Therefore, it is necessary to comprehensively understand the potential risks of AgNPs to environment and human health. Thus far, studies focusing on the safety of AgNPs have described the biological process of AgNPs in bodies, AgNPs-mediated effects and according molecular mechanisms. In this review, we systematically recapitulated recent findings on biological effects of AgNPs, including:① general routes of AgNPs exposure to human bodies, as well as subsequent tissue distribution;② interactions with biological molecules of AgNPs in the body; ③cellular uptake and mechanisms responsible for AgNPs-induced lethal effects. Moreover, we emphasized findings on environmental and health risks of AgNPs and corresponding mechanisms by which AgNPs exerted sublehtal effects under low concentrations. Additionally, we have a further outlook on the future studying in this field of AgNPs’ adverse effects.

Key words：silver nanoparticles；biological process；lethal effects；sublethal effects；environment and health risks

中圖分類號：R318.08

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3962(2016)01-0028-08

DOI:10.7502/j.issn.1674-3962.2016.01.04

通訊作者：劉思金 ，男，1975年生，研究員，博士生導師，

基金項目：科技部973計劃項目(2014CB932000); 中國科學院戰略性先導科技專項(XDB14000000); 國家自然科學基金資助項目(21425731，21377159，21177151，21407169，21407172)

收稿日期：2015-08-01

第一作者：徐明，男，1983年生，副研究員

Email：sjliu@rcees.ac.cn