不同粒径纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、心、睾丸组织的氧化损伤作用

高艳荣 余艳琴 贾玉巧 高冰 白钢 郝金奇

(包头医学院公共卫生学院，014060)

纳米材料(nanomaterial)是应用纳米技术制造的具有纳米尺度(粒径在1～100 nm之间)及特殊理化性质的物质[1]。纳米SiO2是我国目前产量最大的纳米材料之一，已经被广泛应用于塑料工程、生物医学工程、杀菌剂、食品加工等多个领域[2-3]。这就意味着纳米SiO2的研究者、生产者、消费者乃至消费品处理者以及其进入环境后涉及的整个生态系统接触它的机会大大增加。有研究发现多数纳米颗粒物的毒性都比同质量微米级颗粒物要强，纳米颗粒物有可能进入机体，并穿过体内的生物屏障系统到达微米颗粒物所不能到达的区域，如肺间质、循环系统、生殖系统，甚至细胞内，一些原本无毒或低毒的微米级颗粒材料当粒径达到纳米级时，毒性显著增强[4-5]。因此，纳米SiO2对人体健康和生态环境的潜在危害已经引起人们极大的关注。本文研究了不同尺度纳米和常规SiO2对大鼠肺、肝、心、睾丸组织的氧化损伤作用，试图探讨不同粒径纳米和常规SiO2对多种组织器官的毒性作用。

1 材料与方法

1.1 材料 SPF级SD大鼠80只，雄性，体质量(200±20)g，购于中国食品药品检定研究所，动物质量合格号SCKK(京)2009-0017，动物购进后适应性饲养1周，饲养室内温度(22±2)℃，相对湿度40%～70%，动物自由饮水、摄食。20 nm SiO2、60 nm SiO2购于Sigma公司，微米SiO2(粒径为0.1～5μm)购于天津市科密欧化学试剂有限公司。谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)、TBA、超氧化物歧化酶(SOD)测试盒购于南京建成生物工程研究所。

1.2 方法

1.2.1 动物分组和染尘 80只大鼠随机分为10组，每组8只，分别为20 nm SiO2高、中和低剂量组，60 nm SiO2高、中和低剂量组，微米SiO2高、中和低剂量组和阴性对照组。将20 nm SiO2、60 nm SiO2和微米SiO2用生理盐水分别配成67.5 mg/mL、22.5 mg/mL和7.5 mg/mL高、中、低3个浓度的混悬液，用漩涡搅拌器不断搅拌，大鼠用0.3%巴比妥钠腹腔注射麻醉后，采用非暴露气管插管式按给大鼠染尘，阴性对照组经气管注入等体积的生理盐水。染毒48 h后处死大鼠，取出肺、肝、睾丸组织，进行各项指标的测定。

1.2.2 指标测定 染尘48 h后采用麻醉后腹主动脉放血法处死大鼠，摘取肺、肝、心、睾丸组织，分别称取0.5 g，加4.5 mL冷生理盐水，冰水浴下制成10%的匀浆。黄嘌呤氧化酶法测定SOD活力，DTNB直接法测定GSH-Px含量，通过测定硫代巴比妥酸反应物(TBARS)的含量，以表示脂质过氧化作用(LPO)水平，组织蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝法，操作步骤按试剂盒说明书进行。

1.2.3 统计方法 采用Excel建库，SPSS 13.0软件统计分析。组间比较采用方差分析(ANOVA)，均数间多重比较用最小极差法(LSD)，以P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、睾丸组织SOD酶活性的影响(表1)由表1可知，随着剂量逐渐增加，20 nmSiO2和60 nm SiO2均可引起大鼠肺、肝和睾丸组织SOD酶活性逐渐降低。在67.5 mg/kg剂量下，20 nm SiO2和60 nm SiO2组的肺和肝脏SOD酶活性与阴性对照组比较，差异均有统计学意义(P＜0.05)，且20 nm SiO2组大鼠心脏SOD酶活性与阴性对照组比较，差异有统计学意义(P＜0.05)，在22.5 mg/kg剂量下，肺和肝脏SOD酶活性与阴性对照组比较，差异有统计学意义(P＜0.05)。与阴性对照组比较，微米SiO2只引起肺组织SOD酶活性降低(P＜0.05)。

表1 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、睾丸组织SOD酶活性的影响(±s，n＝8，U/mgprot)

表1 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、睾丸组织SOD酶活性的影响(±s，n＝8，U/mgprot)

注：与阴性对照组比较，*P＜0.05，**P＜0.01

组别 剂量(mg/kg) 肺脏 肝 心 睾丸阴性对照组 0 115.23±10.84 147.33±13.51 107.75±10.84 90.74±8.63 20 nm SiO2组 7.5 98.33±18.34 136.17±25.14 117.63±18.34 87.51±11.71 22.5 71.47±12.70* 95.60±13.80* 98.47±15.16 83.60±6.81 67.5 60.36±10.94* 83.67±18.38** 81.73±12.70* 62.59±7.54*60 nm SiO2组 7.5 107.50±10.91 137.49±23.67 108.15±11.74 81.74±10.91 22.5 93.73±9.24* 113.83±14.84* 95.33±15.43 85.34±13.18 67.5 63.61±13.71* 94.73±21.80* 97.06±22.67 70.83±9.57*微米SiO2组 7.5 113.12±17.69 147.38±19.29 104.08±16.67 90.83±17.41 22.5 98.67±12.29* 145.70±20.85 103.5±17.37* 95.61±13.60 67.5 80.91±13.41* 131.84±22.73 97.6±27.4 91.08±10.87

2.2 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、心、睾丸组织GSH-Px酶活性的影响(表2) 由表2可知，随着剂量逐渐增加，20 nm SiO2和60 nm SiO2均可引起大鼠肺、肝和睾丸GSH-Px酶活性逐渐降低。肺、肝脏在67.5 mg/kg剂量下，20 nm SiO2和60 nm SiO2组的GSH-Px酶活性与对照组比较，差异有统计学意义(P＜0.05)。在22.5 mg/kg剂量下，20 nm SiO2组的肺、肝组织GSH-Px酶活性也显著低于对照组(P＜0.05)。各实验组大鼠心脏GSH-Px酶活性与阴性对照组比较，差异无统计学意义(P＞0.05)。微米SiO2只引起肺组织GSH-Px酶活性降低(P＜0.05)。

表2 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、心、睾丸组织GSH-Px酶活性的影响(±s，n＝8，U/mgprot)

表2 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、心、睾丸组织GSH-Px酶活性的影响(±s，n＝8，U/mgprot)

注：与阴性对照组比较，*P＜0.05，**P＜0.01

组别 剂量(mg/kg) 肺脏 肝 心 睾丸阴性对照组 0 51.80±4.63 65.41±5.42 45.53±4.71 38.16±5.74 20 nm SiO2组 7.5 51.50±3.07 58.62±5.69 46.23±4.58 37.43±3.81 22.5 39.18±3.64* 45.73±5.64* 43.65±6.20 34.54±3.58 67.5 32.71±3.07** 41.85±6.48* 31.82±3.77* 27.52±3.40*60 nm SiO2组 7.5 47.33±4.80 62.73±4.75 40.83±4.90 38.61±4.18 22.5 34.17±3.71* 52.80±4.50 40.75±4.09 34.56±4.53 67.5 32.94±4.73* 41.77±5.07* 36.48±6.49 30.50±3.46微米SiO2组 7.5 48.20±5.40 64.77±4.08 46.83±5.19 39.67±4.16 22.5 40.67±6.10 57.67±7.15 42.84±5.10 36.09±5.44 67.5 38.06±5.17* 58.43±6.45 43.52±4.76 35.16±6.50

2.3 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、心、睾丸组织TBARS水平的影响(表3) 由表3可知，随着剂量逐渐增加，20 nm SiO2和60 nm SiO2均可引起大鼠肺、肝和睾丸TBARS含量逐渐升高。在67.5 mg/kg剂量下，20 nm SiO2和60 nm SiO2组的肺、肝和睾丸组织TBARS含量与阴性对照组比较，差异均有统计学意义(P＜0.05)，且20 nm SiO2组大鼠心脏TBARS含量与阴性对照组比较，差异有统计学意义(P＜0.05)，其他各实验组大鼠心脏TBARS含量与阴性对照组比较，差异均无统计学意义(P＞0.05)，在22.5 mg/kg剂量下，肺、肝组织TBARS含量也显著低于阴性对照组(P＜0.05)。微米SiO2使肺组织TBARS含量升高(P＜0.05)。

表3 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、心、睾丸组织TBARS水平的影响(±s，n＝8，nmol/mgprot)

表3 纳米和常规微米SiO2对大鼠肺、肝、心、睾丸组织TBARS水平的影响(±s，n＝8，nmol/mgprot)

注：与阴性对照组比较，*P＜0.05，**P＜0.01

组别 剂量(mg/kg) 肺脏 肝 心 睾丸阴性对照组 0 0.31±0.02 0.42±0.03 0.32±0.01 0.29±0.01 20 nm SiO2组 7.5 0.33±0.05 0.43±0.04 0.33±0.03 0.31±0.03 22.5 0.43±0.02* 0.52±0.02* 0.37±0.04 0.33±0.03 67.5 0.51±0.03** 0.59±0.03* 0.49±0.02* 0.42±0.02*60 nm SiO2组 7.5 0.30±0.04 0.41±0.02 0.36±0.02 0.33±0.04 22.5 0.41±0.04* 0.45±0.05 0.35±0.01 0.34±0.04 67.5 0.43±0.04* 0.55±0.03* 0.38±0.03 0.40±0.02*微米SiO2组 7.5 0.35±0.03 0.42±0.05 0.33±0.02 0.29±0.01 22.5 0.40±0.02* 0.45±0.02 0.34±0.04 0.30±0.05 67.5 0.43±0.03* 0.43±0.02 0.33±0.04 0.32±0.02

3 讨论

目前，关于纳米材料对生物机体所产生的生物学效应机制方面研究，主要关注的是纳米物质的氧化应激和炎症反应学说[6-7]。纳米材料进入机体后引起生物体产生过量的活性氧(ROS)，导致氧化应激反应发生，从而产生炎症反应及其他的毒性效应。但目前关于纳米材料的氧化损伤方面研究，主要是集中在肺组织的氧化损伤研究，尚缺乏对肺外其他组织氧化损伤的系统研究。因此，本研究通过气管灌注法将不同粒径的纳米SiO2和常规微米SiO2对实验动物染毒，通过检测肺、肝、心、睾丸组织的SOD和GSH-Px酶活性及TBARS水平改变，探讨不同粒径的纳米SiO2和常规微米SiO2对肺、肝、心、睾丸组织的氧化损伤作用。

SOD是在机体的氧化与抗氧化平衡起着至关重要的酶，SOD具有清除氧阴离子自由基和抑制脂质过氧化反应，保护细胞免受损伤的作用，GSH-Px是细胞内抗过氧化、保护肺泡巨噬细胞膜性系统的重要酶系，主要通过消除过氧化氢，保护组织细胞免受自由基的损伤。正常情况下，生物机体通过抗氧化酶，如SOD、GSH-Px等组成的防御系统抵抗自由基对生物机体的损伤[8]。SOD、GSH-Px活性降低和TBARS水平升高表明生物机体抗氧损伤化功能降低、脂质过氧化增强，生物机体可能受到一定程度的氧化损伤。

本研究结果表明，20 nm SiO2使肺脏、肝脏、心肌、睾丸组织的SOD、GSH-Px酶活性显著降低及TBARS水平明显升高(P＜0.05)，且在22.5 mg/kg剂量下，20 nm SiO2组的肺、肝组织SOD、GSH-Px酶活性也显著低于对照组(P＜0.05)；60 nm SiO2均可引起肺、肝、睾丸组织的SOD和GSH-Px酶活性显著降低及TBARS水平明显升高(P＜0.05)；而微米SiO2只引起肺组织SOD、GSH-Px酶活性降低及TBARS水平明显升高(P＜0.05)。这一结果表明纳米SiO2对实验大鼠肺、肝、心、睾丸组织均有不同程度的氧化损伤作用，其中对肺脏的损伤最大，肝脏次之，睾丸组织较小，心脏最小，且20 nm SiO2的毒性作用强于60 nm SiO2的毒性作用，而微米SiO2仅对肺组织产生较明显的氧化损伤作用。这一结果也说明纳米SiO2可以对生物机体肺、肝、心、睾丸等多个组织器官具有毒性作用，粒径越小，且其毒性作用愈强，其毒性机制可能是通过破坏组织的氧化-抗氧化系统的平衡，对细胞膜产生脂质过氧化，导致氧化损伤所致。因此氧化应激引起的氧化损伤可能是纳米SiO2毒性作用的机制之一。纳米材料是具有纳米尺度特殊理化性质的颗粒物质，其与机体的作用方式、作用途径、作用机制是一个极其复杂的生物学过程，但具体机制还需进一步探讨。本研究结果也表明，纳米材料的潜在毒性作用可能是非常广泛的、涉及多组织器官的损害，对此目前本实验室正在进行研究中。

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