納米氧化鋅生殖和發育毒作用及機制的研究進展

洪武定，胡志斌，陳博璐，湯奕舟，許恒毅

（南昌大學食品科學與技術國家重點實驗室，江西南昌 330047）

納米氧化鋅是指三維尺度最少有一維＜1 0 0 n m的新型氧化鋅材料，較普通氧化鋅具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應等特性，在橡膠、化妝品、涂料、催化劑、陶瓷、保健品和食品等領域有著廣泛的應用［1-3]。然而，隨著納米氧化鋅的廣泛應用，其通過呼吸道、口腔和皮膚等途徑暴露于機體的概率也大大增加。有研究表明，納米氧化鋅有生殖發育毒性［4-6]，經濟合作與發展組織已將其定性為環境污染物［7-9]。因此，納米氧化鋅的生物安全性也愈發受到業界的關注［9-12]。目前，已有很多關于納米氧化鋅生殖和發育毒作用的研究（表1）。本文綜述了納米氧化鋅對動物生殖及子代發育影響的相關研究進展，并探討了相關機制。

1 納米氧化鋅對雄性生殖功能的影響

體外研究顯示，納米氧化鋅會被睪丸間充質細胞攝取并損傷睪丸內細胞。B a r a等［13]將納米氧化鋅（2 0～4 0 n m）0～2 0 0 m g·L-1與小鼠睪丸間質細胞孵育1 2 h，發現納米氧化鋅會導致睪丸間質細胞活力下降，形態改變，出現自噬小泡甚至發生凋亡。L i u等［14]將納米氧化鋅（5 0 n m）0～1 6 m g·L-1與小鼠睪丸支持細胞及生精細胞分別孵育2 4 h，發現8 m g·L-1即可引起2種細胞的活力下降，增加睪丸支持細胞的通透性，誘導生精細胞發育停滯和DNA損傷。

體內研究顯示，納米氧化鋅會在睪丸組織蓄積，誘導睪丸組織損傷。Hong等［15]對大鼠腹腔暴露納米氧化鋅（30，50和100 nm）10 mg·kg-142 d，發現納米氧化鋅會誘發精子畸形，引起睪丸組織管壁上生精細胞數量減少、排列紊亂、凋亡，且粒徑越小對睪丸的損傷越強。Shen等［16]對小鼠經口暴露納米氧化鋅（32 nm）100，200和400 mg·kg-114 d，發現納米氧化鋅會導致附睪中精子數量減少，睪丸組織曲細精管結構紊亂、生精細胞脫落。Talebi等［17]對雄性小鼠經口暴露納米氧化鋅（20～70 nm）5，50和300 mg·kg-135 d，發現納米氧化鋅會導致附睪精子數量減少，畸形率增加，活力下降；睪丸組織上皮細胞空泡化，生精細胞剝離、脫落，輸精小管直徑減小，生精上皮不完全成熟、受損變薄。

2 納米氧化鋅對雌性生殖功能的影響

體外研究表明，納米氧化鋅會進入卵泡及顆粒細胞，對卵巢細胞造成損傷。Zhao等［18]將雞的卵巢顆粒細胞與納米氧化鋅（30 nm）1～30 mg·L-1溶液孵育24 h，發現納米氧化鋅可轉移進入卵巢顆粒細胞，抑制顆粒細胞增殖。Wei等［19]將小鼠卵泡與氧化鋅（30 nm）1～50 μg·L-1溶液孵育10 d，發現納米氧化鋅會破壞卵泡結構、抑制卵泡生長、限制卵母細胞分化、抑制顆粒細胞的增殖。

體內研究也發現，納米氧化鋅可在卵巢中蓄積。Liu等［20]在給雞喂食添加有納米氧化鋅（30 nm）25，50，100 mg·k g-1的飼料，發現納米氧化鋅進入了雞的卵巢，導致雞的卵巢系數顯著下降，卵巢微量元素含量顯著增加，卵巢神經元發育受損。L i u等［21]研究發現，對雌性小鼠腹腔暴露納米氧化鋅（1 5 n m）2 0 0和5 0 0 m g·k g-1連續5 d后，小鼠的卵巢系數顯著升高，但并未引起卵巢組織病理顯著改變。納米氧化鋅對卵巢影響的差異可能與物種及暴露方式有關，有待于進一步研究。

表1 納米氧化鋅的生殖和發育毒作用

3 納米氧化鋅對子代發育的影響

3.1 納米氧化鋅對斑馬魚子代發育的影響

斑馬魚的基因組與人類有87%相似，其遺傳背景清晰、個體小、容易飼養、發育快、生長周期短、繁殖力強，且胚胎體外發育，便于觀察胚胎的發育和成長，是研究生殖發育毒性的理想模式動物［30]。Zhu等［22]探究了納米氧化鋅（20 nm）對斑馬魚及其胚胎發育的影響。結果顯示，納米氧化鋅1.793 mg·L-1暴露96 h，可導致半數斑馬魚胚胎死亡；納米氧化鋅2.065 mg·L-1暴露84 h可導致半數斑馬魚胚胎無法孵化；且納米氧化鋅5 mg·L-1暴露72 h后可導致半數斑馬魚子代畸形。Zhao等［7]將斑馬魚胚胎和幼體與納米氧化鋅（＜100 nm）1，5，10，20，50和100 mg·L-1共孵育，結果發現，納米氧化鋅可顯著降低斑馬魚胚胎的孵化率，增加新生斑馬魚的畸形率，并造成斑馬魚胚胎細胞內氧化應激與凋亡的發生。Zhao等［23]的后續研究也表明，納米氧化鋅會通過增加斑馬魚胚胎中活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）含量，進而刺激胚胎細胞內產生線粒體介導的凋亡，并最終導致斑馬魚胚胎死亡。Choi等［31]在斑馬魚的生命早期暴露納米氧化鋅（20～30 nm），發現納米氧化鋅對斑馬魚的最高無作用劑量為0.016 mg·L-1。Brun等［24]研究發現，在水中添加納米氧化鋅（約200 nm）1 mg·L-1即可延遲子代斑馬魚的孵化時間，且納米氧化鋅0.2 mg·L-1即可誘導胚胎中炎癥及代謝相關基因表達發生改變。綜上所述，暴露一定劑量的納米氧化鋅會導致斑馬魚死亡、延遲斑馬魚胚胎孵化時間、降低斑馬魚胚胎孵化率、提升斑馬魚子代畸形率、促進斑馬魚胚胎中氧化應激、炎癥應激及凋亡的發生。

3.2 納米氧化鋅對大鼠和小鼠子代發育的影響

大鼠和小鼠性成熟早、繁殖力強、易于飼養管理、性情溫順、對外來刺激極為敏感、受孕特征明顯，是評估生殖發育毒性作用最常用的模式動物之一。Lee等［10]經尾靜脈對妊娠期（gestation day，GD）6～20 d大鼠暴露納米氧化鋅（＜35 nm）5，10和20 mg·kg-1后，發現20 mg·kg-1納米氧化鋅暴露會造成孕鼠死亡，同時引起子代死胎及植入后流產比率增加、新生鼠體質量下降、子代鼠肝中鋅含量顯著升高；納米氧化鋅10 mg·kg-1暴露會引起孕鼠生理指標及部分器官病理發生改變，但不致孕鼠死亡，且對子代發育無明顯影響。Feng等［5]研究發現，在GD 2～19 d對孕期大鼠經口暴露納米氧化鋅（50 nm）500 mg·kg-1后，產后2日齡子代鼠體質量及臟器系數顯著下降，納米氧化鋅在產后2日齡子代鼠腦部大量蓄積并造成了子鼠腦部神經結構異常、細胞增殖減少、凋亡率上升，對成年后子鼠記憶及學習能力進行評估后發現，暴露納米氧化鋅會影響子鼠記憶及學習能力。Okada等［6]在GD 5，8，11，14和17 d分別對孕小鼠皮下暴露200 μL納米氧化鋅（30～40 nm）0.5 g·L-1，發現納米氧化鋅對子鼠的單胺神經系統造成了一定影響，提示其致后代抑郁的可能性。Alimohammadi等［11]后續在GD 5，8，11，14和17 d分別對孕小鼠皮下暴露100 μL納米氧化鋅（20～40 nm）0.5和1 g·L-1，結果發現納米氧化鋅暴露造成了子鼠認知能力下降，并導致后代抑郁比率升高，且雌性后代小鼠發生抑郁的比率顯著高于雄性小鼠。Jo等［25]對合籠前6周到合籠前2周的雄性大鼠，合籠前2周到產后第4天的雌性大鼠分別經口暴露納米氧化鋅（＜100 nm）500 mg·kg-1，結果發現納米氧化鋅暴露會造成大鼠的子代出生數目減少、吸收胎率增加、出生后大鼠存活率下降并造成新生鼠體質量的減少，同時在母鼠的乳房和子鼠肝、腎中可檢測到納米氧化鋅。Hong等［32-33]在GD 5～19 d分別對大鼠暴露20 nm帶正、負電勢的納米氧化鋅，結果發現表面電勢為正時納米氧化鋅對孕鼠的最低致毒劑量為200 mg·kg-1、對子代的最低致毒劑量為400 mg·kg-1，而表面電勢為負的納米氧化鋅未對孕鼠或胚胎造成任何影響。綜上所述，暴露一定劑量的納米氧化鋅會導致嚙齒動物子代數目減少、宮內發育受限，出生后的子代鼠存活率下降，子代神經系統損傷。

3.3 納米氧化鋅對其他模式生物子代發育的影響

有研究發現，納米氧化鋅也會對其他模式生物造成生殖發育毒性。Wu等［28]使用環境相關濃度（0.05～50 μg·L-1）納米氧化鋅（均為30 nm）在線蟲的L1期到成熟期分別暴露，發現納米氧化鋅0.05 μg·L-1即可引起線蟲運動、行為與繁殖等生命活動的明顯改變，而納米氧化鋅50 μg·L-1暴露會造成幼蟲存活率下降、身長變短。Hao等［29]從雞孵化后第6周開始喂食添加有納米氧化鋅（30 nm）200 mg·kg-1的飼料直至出生后第30周，結果發現，實驗組代小雞的肝微觀結構受損，且肝磷脂代謝、發育、凋亡等相關基因表達異常。

4 納米氧化鋅生殖和發育毒作用機制

納米氧化鋅可降低睪丸支持細胞中血-睪屏障蛋白表達，并在睪丸中蓄積，引起性激素表達的失調，損傷睪丸結構，誘導精子損傷、畸變。Bara等［13]將氧化鋅（20～40 nm）0～200 mg·L-1與小鼠睪丸間充質細胞孵育12 h，發現睪丸細胞睪酮產量增加。對小鼠經口暴露納米氧化鋅（32 nm）100，200和400 mg·kg-114 d，發現小鼠血清中的睪酮含量顯著下降［16]。納米氧化鋅暴露后睪酮生成的差異可能是由實驗對象不同導致，有待進一步研究以揭示納米氧化鋅對雄性內分泌的影響。

納米氧化鋅可在卵巢中蓄積，限制卵泡生長、抑制卵母細胞分化、損傷卵母細胞及顆粒細胞，誘導神經因子異常表達。Zhao等［17]將雞的卵巢顆粒細胞與納米氧化鋅（30 nm）1～30 mg·L-1溶液孵育24 h，結果發現雞的卵巢顆粒細胞中氧化還原、抗氧化、發育、生殖及生長相關的蛋白表達顯著改變。Liu等［20]給雞喂食添加有30 nm納米氧化鋅25，50和100 mg·kg-1的飼料，發現納米氧化鋅會損傷卵巢神經元，抑制神經因子的表達，但對血清中激素無明顯影響。

納米氧化鋅可從多方面干擾生物體正常繁殖。Bara等［26]于GD 15～19 d對孕小鼠經口暴露納米氧化鋅（20～40 nm）50，100和200 mg·kg-1，結果發現納米氧化鋅會導致孕小鼠血清中谷草轉氨酶、谷丙轉氨酶及尿素氮含量升高，提示納米氧化鋅導致孕小鼠肝腎損傷；納米氧化鋅還可導致孕小鼠黃體中類固醇生成急性調節蛋白表達下調，誘導孕小鼠體內類固醇激素含量下降。Lee等［10]對GD 6～20 d的大鼠尾靜脈暴露納米氧化鋅（＜35 nm）5，10和20 mg·kg-1，結果發現，納米氧化鋅會導致孕大鼠體質量下降，血液中白細胞數目增加、紅細胞數目減少，肝、腎及肺部組織結構受損乃至死亡。納米氧化鋅對胎盤損傷的報導不多，Bara等［25]的結果顯示，經口暴露納米氧化鋅并未引起孕小鼠胎盤病理結構變化；Lee等［10]的實驗結果則表明，經尾靜脈暴露納米氧化鋅會導致大鼠胎盤臟器系數下降，提示納米氧化鋅會限制胎盤生長。部分研究表明，納米氧化鋅還可穿越血胎屏障，在子代體內蓄積，從而影響子代發育。Z h a i等［27]對G D 1 2.5 d孕小鼠連續2 d尾靜脈暴露納米氧化鋅（3 0 n m）1 6 m g·k g-1，結果發現納米氧化鋅可在子代卵巢中蓄積，誘導子代卵巢細胞凋亡、D N A損傷，并影響子代的卵巢儲備功能。B a r a等［26]的研究顯示，納米氧化鋅可影響子代睪丸激素合成相關基因的表達，導致子代雄鼠睪酮含量下降，睪丸結構受損。F e n g等［5]對孕大鼠經口暴露納米氧化鋅5 4 0 m g·k g-1，發現納米氧化鋅可在子代大腦中蓄積，引起子代大腦細胞氧化應激，導致細胞增殖減少、凋亡比率上升。

5 展望

納米氧化鋅被廣泛應用于現代工業的各個領域，但其生產、使用及廢棄所帶來的潛在危害不容忽視。研究表明，納米氧化鋅對動物生殖器官及子代發育存在一定毒性作用。通過對納米氧化鋅生殖發育毒作用的研究發現，納米氧化鋅的生殖發育毒作用可能由多種因素造成。主要因素包括：①納米級尺寸。納米級的尺寸使得納米氧化鋅更易通過生理屏障進入生殖器官或子鼠體內，直接或間接損傷動物生殖器官、干擾子代發育；②鋅離子的釋放。氧化鋅在機體內會釋放鋅離子并產生R O S，破壞機體正常結構、干擾機體正常功能的執行；③納米粒子的理化性質。如正電修飾的納米氧化鋅對孕期大鼠的毒性要強于負電修飾的納米氧化鋅。然而，納米氧化鋅影響生殖發育的機制還有待進一步探討，其對人類生殖發育有無影響也是未來研究的重點，如何在充分利用納米氧化鋅價值的同時避免其帶來的不利影響，也是研究的重要方向。