纳米二氧化钛毒理的研究进展

韩道宁，苏秀兰

（1.内蒙古医科大学，内蒙古 呼和浩特010059；2.内蒙古医科大学附属医院 临床医学研究中心）

自1959年RichardFeynman首次在论文中提出纳米的概念后，在世界范围内有关纳米技术应用和研究日益成为热点。随后由于纳米技术的快速发展，其应用和发展的阶段可分为纳米颗粒粉体或者是纳米相材料的阶段（1990年前）、纳米复合材料的阶段（1990年～1994年）以及纳米组装配件人工材料阶段（1994年～今）。

纳米材料是一种以微孔颗粒直径小于100nm的新型纳米颗粒作为基础和单位而组织起来的一种高效综合的材料，主要有纳米金属材料、纳米半导体薄膜、纳米陶瓷性材料及其他纳米生物医疗材料等，且随着人们对于纳米材料技术研发的进一步深入，越来越多的纳米材料陆续合成。纳米材料应用必须具备的特异性隧道效应（小分子尺寸隧道效应反射、外部空间表面尺度效应反射、宏观微粒空间量子限域尺寸隧道效应反射、外部空间宏观微粒量子限域隧道尺寸效应和介质与电子无限域隧道效应）进一步发展引起了其自身独特的外部空间结构力学特性、理化结构特征及对微生物的高度包容性，故广泛应用在塑胶涂料、电子及元器件、化妆品以及医疗药物和其他医疗器械中的生物诊断等多个应用领域。纳米佐料（Nanoadjuvant）、聚合纳米佐料以及碳纳米颗粒已经被广泛使用。因此，纳米材料在人类生活中扮演着越来越重要的角色，阐明其对人类健康潜在副作用至关重要。

氧化钛（TiO2）是一种自然界中天然存在的金属活性氧化物，以三种多晶型的矿石形式自然存在，即金红石、锐钛矿和板钛矿[1]，锐钛矿比金红石型显示出更高的活性，因此它在商业上的应用更为广泛。金红石比其他两种材料的结构更稳定，锐钛矿相和板钛矿相分别在高温下进行加热反应时均可以将其转化成金红石，金红石和锐钛矿TiO2的晶相分别是一个四方晶相，而板钛矿的晶相则是一个斜方晶相。此外，板钛矿难以合成，据报道其具有较高的光催化活性。二氧化钛纳米粒子（TiO2NPs）被合成用于多个工业部门。在食品工业中，欧洲法规（EC）第1333/2008号，授权将氧化钛称为TiO2（E171）[2]并作为食品添加剂，其中包括锐钛矿和金红石两种形式（欧盟委员会法规（EU）第231/2012号）。

作为广泛应用的一种新型纳米材料之一，纳米材料二氧化钛（titaniumdioxidenanoparticles，TiO2NPs）已被用作奶酪、牛奶、冰激凌及糕点等食品产业的食品增白剂[3]，而且由于其自身反应活性和渗透性较强，其应用已经逐步扩大至日常涂料、塑料制品、纸张、药物、医疗、化妆品、半导体光催化以及太阳能电池[4]等行业。近年来，由于新型纳米颗粒的开发和生产增加，人们对纳米颗粒的潜在人类健康风险提出了担忧。大量TiO2NPs的应用增加了人类暴露于TiO2NPs的可能性，TiO2NPs材料有几种不同的方式进入人体，如注射（血液循环）、吸入（呼吸道）、摄入（胃肠道）和皮肤渗透（皮肤）[5]。TiO2NPs既可以在食物链中进行微生物的积累，且在其他水生动物中还具有较高的微生物积累倾向，它既可以直接通过食物链的运输从一个物种直接转移为其他物种[6]，同时还能够通过体内的血液循环从一个器官直接转移至其他器官。

1 暴露于纳米二氧化钛的各个脏器的毒理研究

TiO2NPs的暴露主要是通过人体呼吸道、食管和与人体皮肤的血液接触等三种主要途径进入人体，随着血液循环系统进入各器官及组织，并在体内积聚，大量研究表明，小鼠在吸入或食入TiO2NPs颗粒后，TiO2NPs颗粒在肺、消化道、肝脏、心脏、脾脏、肾脏等部位积聚，并且会对各器官造成不同程度的影响，导致器官受累（见表1）。

表1 纳米二氧化钛毒性研究汇总Tab.1 Summarg of toxicitg studies of nano titanium dioxide

1.1 对肝脏的影响

一旦纳米颗粒进入体内，它就可以分布到全身。肝脏是其主要分布的部位，Wang等人发现TiO2NPs（直径80nm）经口服用感染毒素后会导致大鼠中毒血液中谷氨苯丙氨酸转氨酶/酶和谷草氨酸转氨酶的浓度水平明显升高，并且在机体内同时出现不同程度的病理性肝脏损伤[7]。Zhou等人发现TiO2NPs（直径25nm）经口染毒后，大鼠血液中抗氧化酶的活性增加，肝脏、小肠组织中氧化产物增加，肝脏炎性因子水平增高[8]。

小鼠短期注射TiO2NPs后，肝脏某一部位的血管可能会严重出现肿胀，引发肝脏弥散性病变和局灶性改变等一系列的肝脏病变，肝细胞的线粒体发生肿胀和空泡变，甚至可能引起肝细胞的凋亡，TiO2NPs刺激的小鼠肝损伤的信号通路可能为：激活TLRs→NIK→IκB激酶→NF-κB→TNF-α→炎症→细胞凋亡→肝损伤[9]。

1.2 对肺的影响

在生产、流通、使用和回收过程中，TiO2NPs易扩散到空气中。因此，工业或商业TiO2NPs可能成为大气的一种常规成分。呼吸道成为吸入TiO2NPs的主要靶器官系统，增加损伤呼吸系统的风险。研究结果表明，大鼠短时间内吸入TiO2NPs可诱发嗜酸性粒细胞的气道炎症反应，暴露TiO2NPs的细胞物质可直接刺激肺部树突细胞，在哮喘小鼠的模型中加重了肺部的神经源性炎症及气道的高反应性，从而引起肺泡内蛋白质总量、乳酸脱氢酶及葡萄糖-6-磷酸酶的活性增加[10]。大鼠研究表明，TiO2NPs会增加中性粒细胞向气道浸润，导致肺组织的通透性增加和细胞的损伤[11]。TiO2NPs同时还可以降低肺泡巨噬细胞的吞噬活性，这可能会阻碍TiO2NPs和其他病原体从肺部的清除。TiO2NPs的暴露增加了上皮细胞对细菌和病毒感染的易感性。体外培养的人THP-1细胞源性巨噬细胞经TiO2NPs处理后，PlGF、CXCL1、CXCL5和CCL3表达上调。这些结果表明TiO2NPs可引起严重的肺气肿，这可能是由PlGF激活及相关炎症途径引起的[12]。吸入TiO2NPs会引起肺部炎症，而这种炎症在IL-1R和IL-1α缺陷小鼠中受到强烈抑制[13]。向成年雄性ICR小鼠气管内注射单剂量0.1或0.5mg-TiO2NPs（19～21nm），第3天、第1周和第2周收集肺组织进行形态计量学、微阵列基因表达和通路分析，研究发现，TiO2NPs可引起肺气肿、巨噬细胞聚集、肺泡间隔广泛破坏、Ⅱ型肺细胞增生和上皮细胞凋亡。TiO2NPs诱导数百个基因的差异表达，包括激活细胞周期、凋亡、趋化因子和补体级联。特别是，TiO2NPs上调胎盘生长因子（PlGF）和其他趋化因子（CXCL1、CXCL5和CCL3）的表达，可能导致肺气肿和肺泡上皮细胞凋亡[12]。

1.3 对肾脏的影响

小鼠在暴露于25nm和80nmTiO2NPs后，TiO2NPs侵入其肾脏时，其肾小管内蛋白渗出，肾小球严重肿胀并产生血尿，尿素氮和肌酐水平显著上升。由于暴露于TiO2NPs从而产生氧化应激，蛋白质物质在许多远侧小管的管腔和髓质中的集合管中积累，近曲小管可以看到有高立方体嗜酸细胞，管腔狭窄，远曲小管有低立方体细胞，这表明TiO2NPs会引起小鼠肾小球肾炎[14]。

1.4 对脾脏的影响

对脾脏而言，小鼠短期腹腔注射TiO2NPs后，TiO2NPs在脾脏中积累最多，病理学检查显示，TiO2NPs会引起脾脏中的中性粒细胞发生严重病变，导致脾脏组织严重损伤，淋巴结病变、充血和增殖，最终引起脾细胞凋亡，这可能是由于阻塞血管，最终导致小鼠免疫力降低[15]。

1.5 对心肌的影响

大鼠短期食入高剂量TiO2NPs会导致心肌细胞损伤。通过TiO2NPs处理的大鼠心肌细胞之间存在宽阔的细胞间隙，其中一些心肌细胞出现空泡化。此外，一些心肌细胞出现深染的均匀嗜酸性肌浆，并带有褪色的条纹，可观察到严重充血的毛细血管和外渗的红细胞。在一些细胞中出现核固缩和核移位，此外还存在单核细胞浸润[16]。

1.6 对大脑的影响

一般来说，大脑处于血脑屏障（BBB）的保护之下。BBB是一种具有高度选择性的细胞渗透屏障，能把正在循环的血液和大量脑脊液隔绝，并限制许多物质进入大脑。但TiO2NPs由于其特殊的物理和化学性质，可以相对畅通地穿透身体屏障。许多研究明确表明，TiO2NPs可以通过嗅神经穿过血脑屏障并少量进入实验动物的中枢神经系统，并在体外和体内损伤脑神经元和脑组织，可能导致神经退行性疾病阿尔茨海默病的发生。在培养的脑胶质细胞中添加TiO2NPs发现，直径25nm的TiO2NPs会引起小鼠脑胶质细胞发生严重的细胞炎症反应，并抑制脑胶质细胞能量代谢。Wang等人的研究结果表明TiO2NPs（直径80nm）经鼻腔内滴注染毒后，能够穿越体内的血脑屏障，导致一些小鼠的海马神经元在吸氧时出现空泡化以及受到损伤的情况[17]。

1.7 对肠道的影响

TiO2NPs的毒性主要通过体重的影响表现出来，在不同时间间隔用不同剂量TiO2NPs处理的小鼠有明显的体重下降。小鼠表现出中毒症状，包括食欲不振，体重下降[11]。这有可能说是因动物的胃肠道炎症代谢与菌群紊乱因素有关。25nmTiO2NPs经过口染毒90d，鼠粪便中的产物会逐渐出现明显的毒性改变，提示我们TiO2NPs在经过口染毒后，鼠粪便可由肠道炎症代谢反应、葡萄糖的氧化稳态、血液循环系统、氧化应激代谢反应和各种氨基酸的氧化稳态等多种不同原因紊乱鼠的胃肠道和及代谢菌群[18]，从而导致体重减轻。而TiO2NPs处理的小鼠肠道绒毛的数量也明显减少[14]，尤其是营养吸收的表面绒毛。急性暴露时，TiO2NPs会穿过毛囊相关上皮和正常肠上皮，定位在这些上皮层下方的组织中。如果没有适当修复，TiO2NPs积累参与上皮结构维持基因水平蛋白质的基因失调，通过破坏细胞连接而导致细胞旁通透性增加，进而细胞旁易位[19]。这表明TiO2NPs在肠道细胞不会溶解，它们会持续存在于肠道上皮细胞中，穿透肠粘膜，导致肠壁上皮组织损伤和慢性衰竭。

2 TiO2NPs对哺乳动物的生殖毒理性

有证据表明，吸收TiO2NPs可能穿过胎盘进入胎儿组织并导致生殖和发育毒性。

2.1 对雄性哺乳动物的生殖毒理性

TiO2NPs可以穿过血睾屏障在睾丸中积聚，导致睾丸组织损伤降低精子数量和活力。

在一个小鼠35d连续胃内给予TiO2NPs[20]，未能引起小鼠睾丸上皮组织明显病变[21]，但TiO2NPs可能导致的病变是一系列睾丸生精上皮细胞的高度氧化性和损伤，MDA水平增加，睾丸组织中GSH水平和SOD和GPx的活性均显著下降。此外，TiO2NPs胃内给药，降低精子的参数（计数、运动性、活力、形态和DNA质量）及体外生育力（受精率和植入前胚胎发育）。男性生殖细胞发育涉及下丘脑、垂体和睾丸之间内分泌的相互作用。下丘脑促性腺激素释放激素，引起垂体前叶内部释放促性腺激素（FSH和LH），而TiO2NPs颗粒处理的小鼠的LH、FSH和睾酮激素水平显着降低。可能是自由基和随后的脂质过氧化的结果，TiO2NPs处理导致睾丸形态有明显的变化[22]。需要进一步了解分子机制，以评估TiO2NPs诱导内分泌和细胞生殖毒性的可能机制。

2.2 对雌性哺乳动物的生殖毒理性

小鼠长期口服TiO2NPs后，TiO2NPs可以穿过卵巢进入卵泡，改变卵巢组织结构，包括卵巢卵泡的变性和卵母细胞数量的减少，使卵巢形成囊肿以及卵泡发育紊乱，进而导致卵母细胞受精率降低，并影响胚胎发育[23]。

3 小结与展望

TiO2NPs是近年来应用较为广泛的纳米金属氧化物材料，其应用极大地促进了纳米材料在生物医药、农林种植与环境科学等领域的发展，有助于研发抗肿瘤药物，提高农作物产量与质量，保护生态环境等，但与许多其他纳米材料一样，关于TiO2NPs毒性的报道使其存在争议。因此，联合体内外实验、采用多种模式生物、采取多种暴露方式，对TiO2NPs进行毒性及危险性评估和管理，寻找TiO2NPs应用的安全及有效剂量，是目前亟须解决的问题。未来，应在安全暴露剂量内使用TiO2NPs以促进各类科学技术的发展。