納米二氧化鈦毒理研究進展

周逸群

（香港理工大學(xué)，香港 999077）

納米二氧化鈦顆粒（TiO2NP）是一種新型的無機納米材料，因其價格低廉、原料豐富，且具有多種優(yōu)異的物理化學(xué)性能，被廣泛用于多個領(lǐng)域。現(xiàn)今，對于TiO2NP 的運用主要有兩個方向：一是運用TiO2NP的光催化性能，在污水處理、空氣凈化以及殺菌消毒等環(huán)境清潔方面發(fā)揮作用；二是作為色素如增白劑或鈦白粉常見于食品、化妝品工業(yè)[1]。目前TiO2NP 及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)滲透進日常生活中的多個領(lǐng)域，包括制藥、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、農(nóng)業(yè)與工業(yè)等。

但是這種新興的納米材料并非百利而無一害，TiO2NP 的廣泛運用具有兩面性，它的廣泛運用雖然在一定程度上豐富便利了人們的生活環(huán)境，但過度使用該類納米粒子令其在環(huán)境中大量分布，嚴重威脅著生態(tài)環(huán)境與生命健康，例如污水處理后的廢液在流入江河后進一步擴散，導(dǎo)致在包括人類在內(nèi)的多種生物體內(nèi)大量富集。現(xiàn)階段，人們接觸TiO2NP 的主要途徑為吸入與皮膚接觸，潛在的受影響人群數(shù)目眾多且難以統(tǒng)計，因此探明各組織器官受TiO2NP 影響后的病理學(xué)、毒理學(xué)反應(yīng)是一個亟待解決的問題[2]。本文聚焦于TiO2NP對多個組織器官乃至整個系統(tǒng)的作用效果，分析比較各身體部位的反應(yīng)異同，希望借此整理歸納出TiO2NP可能的作用機制，并發(fā)現(xiàn)可能的預(yù)防、治療方法。

1 TiO2 NP 對各組織器官的影響

多項研究指出TiO2NP 進入人體的方式主要有三種——呼吸道、食管和皮膚滲透。TiO2NP 主要積累的部位在肝臟和肺部，在血液運輸?shù)淖饔孟逻€會對心臟以及神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[3]。

1.1 肝臟

肝臟是TiO2NP 在人體內(nèi)的主要分布部位之一，毒理性研究發(fā)現(xiàn)，給SD 大鼠喂食給予直徑約80nm 的TiO2NP 顆粒后，大鼠血液中的多種轉(zhuǎn)氨酶含量大量提高，這是肝炎的表現(xiàn)之一，而解剖觀察發(fā)現(xiàn)肝臟出現(xiàn)明顯纖維化，表明在大鼠體內(nèi)出現(xiàn)了大量壞死的肝細胞；在加入粒徑更小的TiO2NP（25nm）后，則表現(xiàn)為血液中抗氧化酶活性顯著提高。而通過注射途徑直接令實驗對象染毒的毒理性研究發(fā)現(xiàn)，肝臟周邊血管在接觸含TiO2NP 顆粒的溶媒后的較短時間內(nèi)會有明顯的腫脹，其內(nèi)部原因是線粒體發(fā)生損傷，最終會導(dǎo)致該區(qū)域細胞凋亡[4]。

比較口服和注射的結(jié)果可知，兩種途徑染毒后的肝臟均表現(xiàn)出炎癥，只是癥狀輕重有差異，表明TiO2NP 顆粒可以透過消化道吸收進入血液，但有大量的粒子會經(jīng)由消化道排出體外。隨后TiO2NP 被運往肝臟，此過程中這些納米顆粒能夠輕易破壞肝細胞且不易被代謝掉，侵染流程據(jù)推測為體內(nèi)的TiO2NP 通過血液循環(huán)經(jīng)過肝臟，在與肝細胞表面受體結(jié)合后會引起線粒體空泡變，進而發(fā)展成炎癥令大量肝細胞凋亡。

1.2肺

肺作為呼吸道的終點，是吸入的TiO2NP 大量聚積的區(qū)域。TiO2NP 對于肺部組織器官的影響是多方面、多角度的。在針對哮喘小鼠設(shè)計的毒理學(xué)、病理學(xué)測試中，最直觀的表現(xiàn)是氣管部分的炎癥反應(yīng)，這些癥狀會進一步擴散至肺泡部，可以引起肺氣腫并破壞肺泡間隔。在細胞層面上，實驗結(jié)果表明TiO2NP 對嗜酸性粒細胞、中性粒細胞和巨噬細胞等多種免疫細胞都有作用效果。一方面，誘導(dǎo)白細胞向氣道部位浸潤，損害該部位細胞，引發(fā)炎癥；另一方面，降低肺泡部位的白細胞的吞噬活性，令病原體無法及時消除進而引發(fā)其他病癥[5]。

作用機制上，早期研究證明TiO2NP 通過誘導(dǎo)基因進行差異化表達發(fā)揮自身毒性。例如，暴露于較低劑量TiO2NP（0.1～0.5mg/只）的小鼠，其肺泡間間隔大面積缺失，上皮細胞大量死亡，這表明在毒性影響下改變的基因可能參與調(diào)控細胞周期，加速細胞凋亡[6]。而在支氣管等其他部位的上皮細胞，TiO2NP 的靶向結(jié)構(gòu)是細胞內(nèi)部的膜結(jié)構(gòu)，包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和線粒體內(nèi)膜，誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的同時破壞線粒體相關(guān)內(nèi)膜，導(dǎo)致鈣離子失衡，促進細胞的自噬作用；抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激作用后TiO2NP 毒性反應(yīng)減弱，炎癥范圍減小，這表明對于已經(jīng)染毒的個體，抑制納米粒子靶細胞的進一步作用能夠很好地抑制粒子毒性的擴散[7]。

1.3 心臟與血液循環(huán)系統(tǒng)

血液循環(huán)系統(tǒng)與TiO2NP 在機體內(nèi)的擴散密切相關(guān)，是TiO2NP 到達體內(nèi)各部位的主要途徑。此外，對于血液循環(huán)的各組分而言，TiO2NP 的毒力作用效果也是顯著的。通過喂食途徑短時間內(nèi)給予大鼠一定劑量的TiO2NP，大鼠的心肌細胞有空泡化或攜帶褪色條紋均勻嗜酸性肌漿出現(xiàn)，而血管處容易出現(xiàn)紅細胞外滲，這些都表明細胞在短時間內(nèi)大量壞死，與肺、肝臟部位的癥狀類似。此外，血管內(nèi)堆積的凋亡細胞會嚴重阻礙血液的正常流通，外在體現(xiàn)就是毛細血管之類的較細段出現(xiàn)阻塞充血[8]。

1.4 神經(jīng)系統(tǒng)

神經(jīng)系統(tǒng)的主要組成部位如大腦、脊柱等并不會與血液循環(huán)系統(tǒng)或是外界直接接觸，因此一般的病原體不具有侵入神經(jīng)系統(tǒng)細胞的可能性。然而，研究發(fā)現(xiàn)，100nm 級別粒徑的TiO2NP 靜脈注射給予大鼠后，在一段時間后可以在顱腔內(nèi)被發(fā)現(xiàn)，且呈現(xiàn)相互聯(lián)結(jié)的狀態(tài)沉積在一處——穿透血腦屏障可能是由于納米粒子本身的微小體積所，聯(lián)結(jié)的狀態(tài)則是納米顆粒互相碰撞后吸附在一起的結(jié)果。同時，這一結(jié)果表明血腦屏障等滲透膜對目前使用的大部分TiO2NP（粒徑15～100nm）并無防御能力[9]。

TiO2NP 的神經(jīng)毒性主要針對腦發(fā)揮作用，令海馬體受損、小腦病變，表現(xiàn)為學(xué)習(xí)、記憶等方面的能力衰退，類似阿爾茲海默癥[10]，作用機制與其他部位類似——TiO2NP 在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的積累會加劇誘發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)的可能，以單一神經(jīng)元為例，在受TiO2NP 影響激活氧化應(yīng)激反應(yīng)后，細胞內(nèi)活性氧和脂質(zhì)過氧化物大量釋放，伴隨著質(zhì)膜、核酸等大分子被破壞，該結(jié)果會進一步令細胞內(nèi)蛋白酶系統(tǒng)失活，導(dǎo)致α-突觸核蛋白異常聚集，細胞周期遭到阻滯直至凋亡[11]。除了蛋白酶，KRAWCZYNSKA 的團隊還發(fā)現(xiàn)在侵染的過程中芳香化酶和多種過氧化物酶的基因表達、酶活性受到了抑制，目標包括但不限于腦組織、皮質(zhì)，單個神經(jīng)元乃至胚胎的神經(jīng)細胞[12]。這些被侵染的目標通常表現(xiàn)為細胞存活率降低，酶活性與含量過低而代謝廢物大量積累，證明了TiO2NP 破壞酶促反應(yīng)的穩(wěn)定性是發(fā)揮毒性的重要途徑之一。

現(xiàn)階段對于TiO2NP 的運用、人群接觸這些微小粒子的途徑集中在較淺的層次，例如：運用在化妝品中通過皮膚吸收；伴隨食物以增白劑的形式被攝入；散播在空氣中的污染廢料在呼吸時入肺。TiO2NP 目前并無直接侵入血液循環(huán)系統(tǒng)的可能，在皮膚、胃腸道、肺的過濾下實際進入血液參與循環(huán)的TiO2NP 應(yīng)該是較小的，遠低于毒理性研究中直接注入靜脈的量。這表明短時間內(nèi)不太可能有明顯的病癥顯現(xiàn)，體內(nèi)已經(jīng)吸收的TiO2NP 很難發(fā)揮毒性，預(yù)防納米顆粒的侵入的重要性高于治療TiO2NP 中毒病癥。

2 毒力活性影響因素

2.1 物質(zhì)形態(tài)

物質(zhì)的形態(tài)結(jié)構(gòu)有些時候可以起到?jīng)Q定物質(zhì)理化性質(zhì)的作用，這一點在由TiO2NP 構(gòu)成的系列物質(zhì)中也有所體現(xiàn)。首先，肉眼可見且體積較大的二氧化鈦對生物體沒有明顯的毒性，甚至不會對代謝作用產(chǎn)生明顯影響，而納米水平的顆粒由于其體積過小，對于生物體內(nèi)的管壁有明顯的吸附作用，例如通過呼吸入肺的TiO2NP 顆粒在SP 大鼠的解剖結(jié)果中顯示為在支氣管末端與肺泡部大量聚集，同時在吸附部位出現(xiàn)了炎癥反應(yīng)。

一般來說，粒徑越小穿透性越強，因此更小的TiO2NP 在各組織器官的積蓄量更大，造成的危害性也會更嚴重。然而，在對于TiO2NP 神經(jīng)毒性的研究中，透過血腦屏障積累在腦部的納米顆粒表現(xiàn)出粒徑與積蓄量正相關(guān)的現(xiàn)象，即在一定尺寸范圍內(nèi)，體積較大的納米二氧化鈦更容易沉積在神經(jīng)系統(tǒng)。這可能是由于過小的納米顆粒不易發(fā)生碰撞而聚集沉積，更多的是隨著血液循環(huán)排出體外，而體積較大的TiO2NP 既保留了穿透膜系統(tǒng)的能力，又能較容易地相互碰撞、吸附，最終在特定器官處積累[13]。

此外，納米二氧化鈦的存在形式也會對毒性造成影響。一項針對納米二氧化鈦纖維（TiO2NF）和TiO2NP 的毒性比較研究發(fā)現(xiàn)，TiO2NF 有著與青石棉相近的上皮屏障擾動能力，具體表現(xiàn)為改變跨膜電阻值，這是TiO2NP 不曾擁有的能力；另一項區(qū)別是納米材料生物持久性的差異，TiO2NF 有著永久性毀傷單側(cè)上皮細胞的能力，在肺泡部的效果明顯，類似碳納米管的作用效果，而TiO2NP 通常僅能滲透膜結(jié)構(gòu)并造成特定區(qū)域的炎癥。因此，在同屬于納米級別的二氧化鈦中，較長的二氧化鈦，如纖維有著比顆粒更強的毒性，這既表明納米材料相互作用、聚集的能力與毒性有著直接聯(lián)系，也證明了納米材料的存在形式可能通過改變物理性質(zhì)間接影響材料的毒力作用，如毒性和持續(xù)時間[14]。

這些實例說明，納米粒子形式二氧化鈦的理化性質(zhì)和毒性很容易受到分子排列方式、物質(zhì)體積大小與存在形式的影響。改進使用的納米級別二氧化鈦的排列方式，或許是減輕這類物質(zhì)毒副作用的重要手段，降低納米二氧化鈦大規(guī)模運用帶來的風險，最終替代TiO2NP 成為更加安全的納米二氧化鈦材料。

2.2 性別

多項研究表明TiO2NP 的毒性、感染靶向等有著明顯的性別異性。性別異性并非是雌雄生殖系統(tǒng)差異帶來的，而是兩者共有的器官在染毒后表現(xiàn)出的在癥狀、程度以及持續(xù)時間的差異。在相關(guān)的研究中，個別靶器官對于TiO2NP 的耐受性有著明顯的性別異性，試驗結(jié)果顯示，對體重相近的小鼠給予同劑量的TiO2NP，可以發(fā)現(xiàn)雌性個體染毒后肝臟炎癥面積更大、反應(yīng)更劇烈，對于TiO2NP 毒性的敏感性明顯更高[15]。這表明TiO2NP 似乎有著明顯的性別異性，具體表現(xiàn)為對雌性個體更強的感染力和毒力，這對于臨床試驗有著一定的指導(dǎo)意義。因此，在對于納米二氧化鈦的運用上，需要額外考慮女性群體的耐受性，針對不同性別群體進行特別說明與差異化調(diào)整。

3 結(jié)論

TiO2NP 能夠影響機體內(nèi)的多個組織器官，各部位病癥相似，均表現(xiàn)為細胞大量凋亡導(dǎo)致的炎癥現(xiàn)象。在血液循環(huán)系統(tǒng)與TiO2NP 的理化性質(zhì)雙重作用下，TiO2NP 甚至可以侵入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，造成腦功能的衰退。研究結(jié)果表明，TiO2NP 的理化性質(zhì)支持這些細小顆粒輕易透過各類生物膜系統(tǒng)，在細胞內(nèi)發(fā)揮毒性影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)轉(zhuǎn)運機制與基因表達，損傷細胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)例如線粒體的內(nèi)外膜。然而，現(xiàn)如今對于TiO2NP 具體的損傷機制依然不夠明確，研究的方向集中于TiO2NP 引起的氧化應(yīng)激反應(yīng)對于酶促反應(yīng)、基因表達的干預(yù)。不過目前人群暴露在TiO2NP 環(huán)境的時間是相對較短的，尚有充足的時間用以預(yù)防納米材料侵染。同時，納米二氧化鈦受形態(tài)影響與毒力性別異性的新發(fā)現(xiàn)為改善這類納米材料提供了新的思路，這或許預(yù)示著納米二氧化鈦在未來有著更廣闊的運用情景。