納米銅毒性效應(yīng)的研究進(jìn)展

許蓬娟，常凱旋，何加樂(lè)，宋德鑫，江 遙，付鵬宇，陳逸倫

(天津中醫(yī)藥大學(xué) 中西醫(yī)結(jié)合學(xué)院，天津 301617)

納米材料是指尺寸在納米級(jí)別的具有特殊性能一類材料[1]。自上世紀(jì)90年代初期，納米技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，納米材料被用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域[2-3]，越來(lái)越多的人們能夠接觸到納米材料。于是納米材料帶來(lái)的安全問(wèn)題也逐漸引起世人的重視[4]。納米材料一旦被人體吸收，可分布在心臟、骨髓、肝、腎等多個(gè)器官[5-6]，同時(shí)，納米材料還可以穿越許多人體的生物屏障，如血-腦屏障和血-睪屏障[7-8]。因此，納米材料的生物安全性問(wèn)題引起公眾和政府越來(lái)越多的關(guān)注[9-11]。已有的研究證據(jù)也表明，多種納米材料對(duì)人類的健康確實(shí)存在潛在的危害。美國(guó)環(huán)境保護(hù)署報(bào)告也將人工納米粒子被歸類為具有未知毒性物質(zhì)[12]。為保證納米科技的健康發(fā)展，對(duì)納米技術(shù)的生物安全評(píng)估及危害的防治是十分重要的。

納米銅是代表性的金屬納米材料之一，也是一種常見的納米材料，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)方面，如農(nóng)藥、畜類飼料添加劑、宮內(nèi)節(jié)育環(huán)、抗骨質(zhì)疏松、抗衰老及抗癲癇等藥物、抗菌材料等[13-15]。此外，納米銅還廣泛用于電子、油墨、薄膜、涂料、殺菌劑、化妝品、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品及其它含金屬的產(chǎn)品中[16-17]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究表明，納米銅具有抗病毒、抗菌、抗腫瘤、抗炎等作用[18-19]，因此受到醫(yī)藥領(lǐng)域廣泛關(guān)注，有望應(yīng)用于多種醫(yī)療設(shè)備及疾病的藥物治療。

已有研究指出，納米銅對(duì)人類健康、環(huán)境安全都存在極大危害[20]，研究納米銅造成的機(jī)體損傷及潛在危害具有重大社會(huì)意義。在此，本文就納米銅毒性效應(yīng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要的綜述，以期能夠有利于納米科技的健康和可持續(xù)發(fā)展。現(xiàn)有的資料表明納米銅的毒性主要表現(xiàn)在肝細(xì)胞及組織，腎細(xì)胞及組織，脾臟細(xì)胞及組織、神經(jīng)細(xì)胞及組織，以及其他諸如生殖系統(tǒng)，骨組織，胎盤，黏膜等方面。

1 納米銅的肝臟毒性

生理生化指標(biāo)表明，肝臟是納米材料的主要影響器官，因?yàn)楦闻K是參與納米銅代謝的主要器官[21]。Tang等通過(guò)納米銅灌胃也發(fā)現(xiàn)肝臟是納米銅積累的靶器官[22]。Lei等通過(guò)核磁共振技術(shù)和模式識(shí)別方法，發(fā)現(xiàn)納米銅會(huì)造成體內(nèi)甘油三酯和磷脂水平顯著增加[23]。此外，經(jīng)口給納米銅會(huì)造成大鼠及小鼠肝臟腫大，肝細(xì)胞壞死并伴有肝功能不全[14,24]。高昭暉等也通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)方法，配合病理學(xué)檢查的手段發(fā)現(xiàn)納米銅可導(dǎo)致大鼠肝細(xì)胞發(fā)生脂肪變性[25]。細(xì)胞水平上，納米銅暴露會(huì)導(dǎo)致魚肝癌細(xì)胞系PLHC-1細(xì)胞形態(tài)改變，細(xì)胞活性明顯降低[26]。

眾所周知，氧化應(yīng)激是納米材料發(fā)揮毒性的重要機(jī)制，因此納米銅也通過(guò)誘導(dǎo)生物體內(nèi)活性氧簇的產(chǎn)生而造成肝臟氧化損傷。Manna等指出納米銅通過(guò)激活氧化應(yīng)激相關(guān)通路誘導(dǎo)肝功能不全和細(xì)胞死亡[24]。Tarantino發(fā)現(xiàn)納米銅引起的肝臟損傷是由于產(chǎn)生過(guò)量的活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)[27]。David則采用虹鱒魚作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，發(fā)現(xiàn)納米銅會(huì)誘導(dǎo)魚體肝臟內(nèi)氧化應(yīng)激增加[28]。Tang等也證實(shí)納米銅可以通過(guò)激活核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)、有絲分裂原活化蛋白激酶(Mitogenactivatedproteinkinase,MAPK)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子(signal transducers and activators of transcription,STAT)3條信號(hào)通路，進(jìn)而使大鼠肝臟氧化應(yīng)激水平顯著增高，從而嚴(yán)重影響肝臟代謝功能[29]。

此外，Connolly等人采用H4IIE大鼠肝癌細(xì)胞結(jié)合透射電鏡分析還表明納米銅還具有非氧化應(yīng)激介導(dǎo)的細(xì)胞毒性作用，其可以對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接的物理干擾，從而導(dǎo)致肝細(xì)胞毒性作用[30]。而Hien等人則證實(shí)高濃度的納米銅會(huì)在小鼠肝臟過(guò)度積聚導(dǎo)致炎癥反應(yīng)，進(jìn)而引起肝臟損傷[14]。

2 納米銅的腎臟毒性

在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，腎臟是外源化合物進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化及排泄的重要器官之一，因此，也成為納米銅誘導(dǎo)毒性的主要靶器官[23]。目前，眾多體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)了納米銅可以在腎臟內(nèi)積累并嚴(yán)重影響腎臟代謝[31]。早在2006年Chen等人通過(guò)經(jīng)口灌胃暴露納米銅對(duì)小鼠的急性毒性試驗(yàn)就指出納米銅會(huì)造成腎小球腫脹等多種腎小球腎炎的癥狀，導(dǎo)致嚴(yán)重的腎臟損傷[5]。隨后，Lee等人發(fā)現(xiàn)大鼠連續(xù)灌服納米銅會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物生長(zhǎng)緩慢，腎小球萎縮等[32]。Liao 和徐敏等人也發(fā)現(xiàn)，納米銅會(huì)導(dǎo)致大鼠腎臟損傷，腎功能障礙[33-34]。Lei等人采用核磁共振技術(shù)和模式識(shí)別方法發(fā)現(xiàn)納米銅會(huì)造成大面積腎近端小管壞死，并伴隨腎功能障礙，再次證實(shí)納米銅的腎臟毒性[23]。

此外，多項(xiàng)研究表明，納米銅對(duì)腎臟足細(xì)胞、系膜細(xì)胞等各類具有細(xì)胞毒性作用。足細(xì)胞，又稱腎小球臟層上皮細(xì)胞，是腎小球?yàn)V過(guò)屏障的重要組成部分。由于足細(xì)胞是一種終末分化細(xì)胞，一旦死亡或丟失后不能再生，是許多腎臟疾病的損傷靶點(diǎn)。當(dāng)用納米銅處理足細(xì)胞后，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞活性降低，凋亡明顯增加[35]。腎小球系膜細(xì)胞是腎小球的固有細(xì)胞，參與維護(hù)腎小球的結(jié)構(gòu)和功能、支撐毛細(xì)血管袢，以及調(diào)節(jié)腎小球?yàn)V過(guò)作用。Xu等人發(fā)現(xiàn)，納米銅可引起腎臟系膜細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞損傷[36]。Zhang等也證實(shí)納米銅可以促進(jìn)豬腎臟細(xì)胞PK15凋亡，從而誘導(dǎo)腎臟毒性[37]。

在納米銅誘導(dǎo)的腎臟損傷過(guò)程中，氧化應(yīng)激途徑的激活扮演著重要的角色。納米銅可通過(guò)調(diào)節(jié)B細(xì)胞淋巴瘤-2相關(guān)的x蛋白(Bcl-2 associated X protein,Bax)、B細(xì)胞淋巴瘤-2同源區(qū)域3凋亡誘導(dǎo)蛋白(Bid)及半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3 (Caspase-3)等的表達(dá)水平，顯著降低各類腎臟細(xì)胞的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)水平，導(dǎo)致ROS和丙二醛(malondialdehyde,MDA)的生成增多，從而打破腎臟氧化-抗氧化的平衡，造成腎臟損傷[35-38]。楊保華和Sarkar等人也證實(shí)納米銅造成腎臟損傷伴隨著氧化應(yīng)激水平的升高[39-40]。

納米銅誘發(fā)腎臟毒性的另一個(gè)重要機(jī)制是炎癥反應(yīng)[39]。徐敏等采用液相芯片技術(shù)檢測(cè)大鼠體內(nèi)的炎癥因子，結(jié)果證實(shí)納米銅可以誘發(fā)嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)，進(jìn)一步導(dǎo)致腎臟損傷[34]。

3 納米銅的脾臟毒性

機(jī)體脾臟的主要功能是清除受損、老化和壞死的細(xì)胞，同時(shí)也參與機(jī)體的免疫反應(yīng)。脾臟在組織先天性和適應(yīng)性免疫應(yīng)答方面起著至關(guān)重要的作用，而研究發(fā)現(xiàn)免疫系統(tǒng)是有毒物質(zhì)的敏感靶標(biāo)[41]。換言之，脾臟也是納米銅發(fā)揮毒性的靶器官之一，而納米銅對(duì)在體脾臟和體外脾臟細(xì)胞都有明顯的毒性作用。

Sizova等通過(guò)原子發(fā)射光譜法(Atomic Emission Spectrometry，AES)和質(zhì)譜法(Mass Spectrometry,MS)發(fā)現(xiàn)靜脈注射納米銅后，納米銅會(huì)在脾臟中積聚并導(dǎo)致其異常的細(xì)胞凋亡與免疫功能障礙[42]。Chen和Tang等人也先后指出納米銅經(jīng)口給藥可以造成實(shí)驗(yàn)小鼠的脾臟嚴(yán)重?fù)p傷，納米銅顆粒大量累計(jì)[5,22]。納米銅對(duì)在體脾臟的毒性作用依賴于多種重要機(jī)制。Zhou等人發(fā)現(xiàn)納米銅暴露后通過(guò)調(diào)節(jié)Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)-核因子E2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid 2(NF-E2NF-E2-related factor 2，Nrf2)/抗氧化反應(yīng)元件(antioxidant response element,ARE)，磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinases,PI3K)/蛋白質(zhì)絲氨酸蘇氨酸激酶(protein-serine-threonine kinase,AKT)和MAPK通路增強(qiáng)體內(nèi)氧化應(yīng)激水平，從而造成大鼠脾臟的巨噬細(xì)胞增多，炎癥因子表達(dá)增多，進(jìn)而導(dǎo)致脾臟免疫系統(tǒng)失衡[43]。

4 納米銅的神經(jīng)毒性

當(dāng)今已有的研究發(fā)現(xiàn)納米銅可以沉積于外周神經(jīng)系統(tǒng)以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)而產(chǎn)生一系列的毒性作用。張麗麗通過(guò)大鼠鼻腔滴注的納米銅的方法發(fā)現(xiàn)納米銅會(huì)引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病理?yè)p傷，尤其是嗅球部分最為明顯，此外納米銅還可影響大腦中神經(jīng)遞質(zhì)的水平[44]。同時(shí)在細(xì)胞水平，研究者還發(fā)現(xiàn)納米銅處理會(huì)導(dǎo)致PC12細(xì)胞系(大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞，常見體外神經(jīng)細(xì)胞模型)凋亡與壞死增加[45]。

納米銅神經(jīng)毒性的機(jī)制與其他器官毒性機(jī)制相近，主要包括炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激等。從炎癥反應(yīng)來(lái)說(shuō)，納米銅一方面可穿過(guò)血腦屏障直接刺激神經(jīng)元與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞因子的表達(dá)水平升高誘發(fā)炎癥反應(yīng)。另一方面又可通過(guò)侵染其他器官、組織引起炎癥，后炎癥因子通過(guò)血液循環(huán)系統(tǒng)導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)炎癥。Chen等人利用大鼠納米銅量子點(diǎn)毒染的手段顯示納米銅會(huì)引起海馬組織及細(xì)胞發(fā)生炎癥并導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙進(jìn)一步誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的發(fā)生[5]。

其次，氧化應(yīng)激的激活是納米銅誘導(dǎo)神經(jīng)毒性的重要機(jī)制。納米銅進(jìn)入神經(jīng)細(xì)胞后或造成活性氧簇大量生成，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)氧化-抗氧化失衡，引起神經(jīng)系統(tǒng)的氧化損傷。Xu等人發(fā)現(xiàn)納米銅處理后的PC12細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平明顯增加，體現(xiàn)為ROS和MDA水平增高，而SOD水平降低[45]。

5 胃腸道毒性

據(jù)報(bào)道，納米銅在酸性環(huán)境(pH值5.5)中具有較高的溶解度和Zeta電位[31,46]。這就意味著其在胃內(nèi)具有較高溶解度及活性。由于胃液的pH值在1.5到2.0之間，納米銅能與胃液中的氫離子發(fā)生反應(yīng)并轉(zhuǎn)變成離子狀態(tài)，有利于其分解被吸收到血液循環(huán)中造成全身毒性[5,31]。

此外，腸道是銅吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的主要器官，部分基因突變患者存在腸道銅蓄積現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)納米銅對(duì)斑馬魚腸道發(fā)育有損傷作用，包括上皮細(xì)胞變薄、腸絨毛變少和縮短[47]。納米銅導(dǎo)致小鼠出現(xiàn)顯著的消化功能紊亂和明顯的生長(zhǎng)抑制[32]。用不同劑量的納米銅處理24～48 h腸上皮細(xì)胞，觀察細(xì)胞損傷和氧化應(yīng)激的征象，受損的胃腸道壁會(huì)損害吸收效率，使納米銅更容易穿透胃腸道壁[23]。李朝陽(yáng)也證實(shí)經(jīng)胃腸道染毒的大鼠常呈現(xiàn)出嘔吐腹瀉、食欲不振等癥狀[38]。

6 其他毒性

納米銅可以通過(guò)激活氧化應(yīng)激等多種途徑導(dǎo)致卵巢損傷、性激素失衡和卵巢細(xì)胞凋亡，同時(shí)還影響卵巢癌基因表達(dá)[48]。納米銅復(fù)合材料會(huì)導(dǎo)致大鼠子宮內(nèi)膜損傷[49]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的納米銅常作為一種納米農(nóng)藥還會(huì)污染周圍環(huán)境，破壞土壤，作物的環(huán)境生態(tài)，例如其會(huì)抑制土壤中豇豆的生長(zhǎng)[50]。此外，納米銅還會(huì)釋放到水中引起非目標(biāo)水生生物的毒害作用，如顯著抑制藻類生長(zhǎng)速率，對(duì)河口文昌魚存在毒性作用，對(duì)浮游生物水瘙也有較強(qiáng)的毒性作用，進(jìn)而可能造成魚類體內(nèi)納米銅累計(jì)[9,51-53]。納米銅-氟聚合物能夠抑制微生物的生長(zhǎng)[54]。納米銅還可延緩斑馬魚胚胎的孵化，造成幼魚發(fā)育形態(tài)畸形，同時(shí)還會(huì)破壞其絨毛膜的完整性等[55-57]。納米銅急性經(jīng)口染毒還可以造成小鼠高致死率，降低線蟲繁殖率和攝食[58]，且雄性老鼠出現(xiàn)比雌性小鼠更嚴(yán)重的中毒癥狀[32]。

7 結(jié)語(yǔ)

目前對(duì)納米銅的研究越來(lái)越多，研究一方面集中于突出其納米材料的物理化學(xué)表征優(yōu)點(diǎn)而在各個(gè)領(lǐng)域加以利用，并逐步替代傳統(tǒng)金屬；另一方面則聚焦于其毒性作用。現(xiàn)階段對(duì)于納米銅的毒性的研究其實(shí)還很有限。研究結(jié)果大都聚焦于對(duì)生物毒性研究，包括在體動(dòng)植物及離體細(xì)胞的毒性及機(jī)制研究，有關(guān)遺傳毒性水平、遺傳毒性機(jī)制、物理化學(xué)性質(zhì)的影響和暴露途徑等因素，仍需要進(jìn)行全面的研究。此外，現(xiàn)有研究揭示納米銅的生物毒性的潛在機(jī)制和途徑主要集中于炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激等，但這些可能不是其毒性的唯一機(jī)制。

因此，仍需進(jìn)一步的研究填補(bǔ)現(xiàn)有的研究空白，并探索其他機(jī)制在納米銅毒性作用中的認(rèn)識(shí)。未來(lái)的研究還應(yīng)進(jìn)一步了解如何全面評(píng)估納米銅對(duì)機(jī)體的暴露途徑及安全范圍，如何清除納米銅體內(nèi)積累，如何在生物醫(yī)學(xué)及消費(fèi)品等納米銅實(shí)際應(yīng)用中體現(xiàn)理論數(shù)據(jù)的意義。納米技術(shù)與納米材料在不斷發(fā)展創(chuàng)新，納米安全性值得全社會(huì)共同關(guān)注。