生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第18卷第4期2023年8月V ol.18,No.4Aug.2023㊀㊀基金项目:国家自然科学基金青年项目(82202069)㊀㊀第一作者:孙凡晰(1997 ),女,硕士研究生,研究方向为环境材料与技术,E -mail:*********************㊀㊀*通信作者(Corresponding author ),E -mail:*********************.cn ㊀㊀共同通信作者(Co -corresponding author ),E -mail:****************DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20221025001孙凡晰,齐鑫,王靖,等.微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展[J].生态毒理学报,2023,18(4):131-147Sun F X,Qi X,Wang J,et al.Mechanism of toxic effects of microplastics and nano -plastics on gastrointestinal tract and liver:A review [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2023,18(4):131-147(in Chinese)微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展孙凡晰,齐鑫,王靖*,纪丽莲#苏州科技大学化学与生命科学学院,苏州215000收稿日期:2022-10-25㊀㊀录用日期:2023-01-20摘要:由于塑料制品的大量生产和使用,其废弃物降解产生的微塑料(microplastics,MPs)作为一种新型的环境污染物近年来逐渐引起全世界的关注㊂持续的老化会使微塑料降解为纳米塑料(nano -plastics,NPs),在进入人体后增加对细胞的危害,因此微塑料和纳米塑料对人体产生的毒性效应及健康危害也日益成为环境领域的研究热点㊂本文基于已有研究,重点阐述了人体内微塑料和纳米塑料沉积对胃肠道产生氧化应激㊁炎症及细胞凋亡相关毒性效应的机制,以及造成肝脏糖脂代谢紊乱的潜在机制,为进一步开展微塑料和纳米塑料的毒性效应机制研究和人体健康风险评估提供理论依据㊂关键词:微塑料;胃肠道;肝脏代谢;肝脏;氧化应激;纳米塑料文章编号:1673-5897(2023)4-131-17㊀㊀中图分类号:X171.5㊀㊀文献标识码:AMechanism of Toxic Effects of Microplastics and Nano-plastics on Gastro-intestinal Tract and Liver :A ReviewSun Fanxi,Qi Xin,Wang Jing *,Ji Lilian #School of Chemistry and Life Sciences,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215000,ChinaReceived 25October 2022㊀㊀accepted 20January 2023Abstract :In recent years,due to the mass production and use of plastic products,microplastics (MPs)produced by the degradation of their wastes have gradually attracted the world s attention as a new type of environmental pollu -tant.Continuous aging degrades MPs into nano -plastics (NPs),which can increase their damage to cells when they enter the human body.Therefore,the toxic effects and health hazards of MPs and NPs on the human body have in -creasingly become a research hotspot in the environmental field.Based on existing studies,this article focuses on the mechanism related to the toxic effects of MPs and NPs deposition on the gastrointestinal tract (e.g.,oxidative stress,inflammation and apoptosis),and the potential mechanism of glucose and lipid metabolism disorders in the liver.This study provides a theoretical basis for further research on the mechanism of toxic effects of MPs and NPs and human health risk assessment.132㊀生态毒理学报第18卷Keywords:microplastics;gastrointestinal tract;glucolipid metabolism;liver;oxidative stress;nano-plastics㊀㊀随着塑料制品在生产和生活中的广泛使用,中国已经成为全球最大的塑料生产国㊂由于使用的需要,这些塑料制品通常耐高温,耐酸碱,耐腐蚀,目前还没有正确的方式处理塑料垃圾,这些塑料垃圾在自然环境下几乎不会被完全降解,而是通过生物以及非生物途径逐渐降解为微米或纳米级的碎片[1-3],更容易发生转移和扩散,导致微塑料和纳米塑料对环境的污染㊂根据塑料颗粒的粒径不同,可以将其划分为微塑料(microplastics,MPs)(直径纺5mm)[4]和纳米塑料(nano-plastics,NPs),目前有关NPs的粒径划分标准尚存争议,大部分学者将粒径<1μm的塑料颗粒定义为NPs[5-6]㊂随着对人体中MPs和NPs研究的不断深入,研究者们已经在人类血液㊁胎盘和粪便中发现了MPs和NPs[7-9]㊂MPs和NPs主要通过食物㊁水以及空气进入人体[10-11]㊂小鼠暴露实验发现, MPs和NPs进入体内后在胃㊁肠㊁肝脏等器官积累[12-13]㊂从消化道进入的MPs和NPs由于耐腐蚀性高,消化液会改变MPs和NPs颗粒的表面粗糙度和粒径[12],使它们更稳定地停留在消化道内壁,也更易吸附其他有毒物质从而增加毒性[14]㊂实际上,组织内的屏障并不能阻止MPs和NPs的入侵,MPs和NPs进入人体后,小粒径的塑料颗粒可以跨越消化系统的上皮屏障[15-17],从而进入淋巴和血液循环,粒径范围在0.1~10μm的纳米级塑料颗粒甚至可以穿过血脑屏障和胎盘[18-20]㊂饮食饮水摄入的MPs 和NPs颗粒,若其粒径>150μm,通常很难穿过肠道上皮细胞,导致几乎90%的MPs通过粪便排出体外[5],剩下的只能在肠道上皮细胞膜外产生局部影响,而<150μm的纳米级塑料颗粒接触到小肠绒毛时,这些小粒径的塑料颗粒则会穿过小肠上皮细胞[21],进入淋巴系统[22]和血液[18,23],通过毛细血管最终到达门静脉,扩散至全身[24-26]㊂对于<150μm的纳米级塑料颗粒物,其中>10μm的部分塑料颗粒(0.1%)可到达其他器官和细胞膜表面[19],而<5μm 的纳米级颗粒物则会被淋巴细胞吸收[21]㊂随着有关纳米级塑料颗粒进入哺乳动物细胞机制研究的逐渐深入,可以归纳出以下3种纳米级颗粒进入淋巴和血液循环的机制:(1)小粒径的纳米粒子通过细胞间紧密连接旁路,扩散进入血液[27],肠道上皮杯状细胞分泌的黏液是促进其旁路扩散的因素[21];(2)较大一些的纳米粒子(50~200nm)更倾向于通过内吞作用穿过肠道上皮细胞[21],并且可能存在黄金摄入尺寸,例如40nm可能是非吞噬细胞摄取的最佳尺寸[28],而200nm可能是穿过血脑屏障的最佳尺寸[29]㊂体内研究发现,肠道细胞可利用不同的内吞机制,甚至多种内吞机制联合使用,内化纳米级颗粒物,例如吞噬细胞可通过吞噬作用将其内化[30],而非吞噬细胞可以借助网格蛋白或细胞膜内陷介导的内吞作用内化较小的纳米颗粒[27],在这一过程中肌动蛋白发挥重要作用[31]㊂另外,能量依赖性途径也是肠道上皮细胞内吞作用的机制之一[31]㊂最近的研究发现,<3μm的纳米级颗粒可通过非特异性内吞机制内化到非吞噬细胞[31],且可利用内吞作用的微粒粒径上限增加到了5μm[19,21],肠道Peyer斑中丰富的M细胞的内吞作用是粒径上限增加的主要原因[23],此外肠道黏膜的协助也是可能的影响因素之一[32-33];(3)带正电的粒子与质膜的高度结合会增加表面张力并导致膜穿孔或变形[34],从而使纳米级塑料颗粒进入细胞,进而进入血液循环㊂除了被消化道吸收的纳米级塑料颗粒,经呼吸系统进入肺部的MPs和NPs通常会滞留在肺部或者通过毛细血管进入体内循环系统,<2.5μm的塑料颗粒会进入肺部深处或渗透肺泡进入血液循环[35]㊂这些进入血液循环的纳米级塑料颗粒,其中粒径在100nm左右的会被血清白蛋白包围[36],形成多层血清白蛋白冠,可能有助于纳米塑料逃避免疫监视,增加其在血液循环系统的时间,并帮助颗粒到达次级器官并在肝脏㊁肾脏和肠道中积累[36]㊂血清白蛋白与纳米级塑料颗粒的结合导致蛋白质的二级结构发生改变[37],从而增加了塑料颗粒的细胞毒性[27,36]㊂尽管只有小部分纳米级塑料颗粒能够穿透肺泡和胃肠道的上皮屏障,转移到次级组织器官内,但考虑到人类对塑料颗粒的长期接触以及塑料颗粒可能产生积累,这种低比例的内化仍不容忽视,因为它们能够进一步引起一系列毒性效应(图1),包括氧化应激㊁局部炎症㊁细胞凋亡以及肠道菌群的改变[38-41]㊂流行病学调查发现,吸入MPs和NPs会增加对呼吸道刺激的几率,一部分职业性接触MPs和NPs的工人患有间质性肺病,肺组织病理学检查发现,该病是MPs和NPs作为半抗原刺激呼吸道,引发肺泡炎症产生的[42-43]㊂体内研究表明,小鼠摄入MPs后,胃中的幽门螺旋杆菌与MPs相互作用,促进了幽门螺第4期孙凡晰等:微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展133㊀旋杆菌在胃黏膜上皮细胞的快速定植[12],这种致病菌的大量繁殖导致小鼠胃部炎症的发生㊂肠道菌群的失调也是MPs 产生的毒性效应之一,在多项体外研究中均发现MPs 导致小鼠肠道菌群紊乱,条件致病菌数量增多,同时伴随肠道炎症[44-46]㊂NPs 对肝脏的毒性效应主要表现为糖脂代谢紊乱,NPs 暴露后的小鼠,体内葡萄糖含量升高并伴随糖尿病发生[47],脂肪质量减少,肝脏中甘油三酯和总胆固醇水平下降[48]㊂进入人体的NPs 最终进入并积累在组织内的各种细胞中构成潜在威胁㊂体外研究发现纳米级塑料颗粒可进入细胞,产生毒性效应[10,49]㊂人胃黏膜上皮细胞与NPs 共培养后,发现细胞增殖速率降低,细胞凋亡增加[50]㊂在人肠道细胞中也发现NPs 会导致细胞产生氧化应激[51]㊂尽管目前没有研究证明MPs 和NPs 会通过食物链传递至人体内,但现有的体内外研究已经展现出MPs 和NPs 进入体内产生的不良后果㊂目前MPs 和NPs 积累对人体的毒性效应研究还不深入,因此聚焦于MPs 和NPs 对人体产生的毒性效应机制,对了解MPs 和NPs 对人体健康的影响有重要意义,同时也为今后预防和治疗MPs 和NPs 导致的人体疾病提供科学依据㊂本篇综述将归纳总结MPs 和NPs 对人体胃肠道及肝脏的毒性效应机制,提出目前研究存在的问题和不足以及未来可能的发展方向,为今后研究MPs 和NPs 对人体的毒性效应及机制提供科学依据㊂1㊀引发胃肠道(gastrointestinal tract ,GIT )氧化应激㊁炎症及细胞凋亡的毒性效应机制(Toxic mechanism of oxidative stress ,inflammation andapoptosis in GIT )人体中的MPs 和NPs 经不同的内吞机制进入细胞或吸附聚集在胃肠道组织表面,引起氧化应激和炎症,甚至细胞凋亡,该现象已经在多项体外研究及小鼠的体内研究中得到证实(表1)㊂MPs 和NPs 对人体胃肠道健康的危害日益显现,因此探究MPs 和NPs 对胃肠道的毒性效应机制,为防治MPs 和NPs 引起的胃肠道疾病提供科学依据㊂1.1㊀细胞中的活性氧(reactive oxygen species,ROS)诱导氧化应激的产生(ROS in cells induce the genera -tion of oxidative stress)细胞内拥有一套抗氧化防御系统,可以维持细胞内ROS 的水平,保护重要的生物分子免受自由基的伤害[52-53]㊂细胞中活性氧和氧化应激的增加与抗氧化系统失衡和疾病有关[54]㊂体内外研究表明,MPs 和NPs 暴露后,细胞内ROS 水平升高,一方面是外源颗粒的直接刺激作用诱导细胞内ROS 的产生增加[55];另一方面,MPs 和NPs抑制抗氧化酶转录图1㊀人体中微塑料和纳米塑料的来源㊁分布及影响Fig.1㊀Source,distribution and impact of microplastics and nano -plastics in human body134㊀生态毒理学报第18卷因子的产生或降低抗氧化酶的活性,进而抑制ROS 代谢,使线粒体膜电位增加,导致线粒体通透性和ROS 产生增加,进而加速线粒体中产生的ROS 向胞质转移[17,56]㊂超氧化物歧化酶(SOD)㊁过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽(GSH)是衡量机体氧化应激程度重要而不可或缺的生物标志物[57]㊂研究发现,聚苯乙烯纳米塑料可导致小鼠十二指肠内过氧化生物标志物水平升高,SOD ㊁CAT 活性和GSH 含量明显降低[58-59];人正常结肠黏膜上皮细胞的体外实验也发现,经NPs 处理的细胞中ROS 水平比未经处理细胞的ROS 水平高[58]㊂因此,MPs 和NPs 可直接促进ROS 产生或通过抑制抗氧化酶活性和谷胱甘肽的产生进而抑制ROS 代谢,间接导致ROS 增加㊂随着MPs 和NPs 与细胞微环境的相互作用,增加的ROS 在MPs 和NPs 颗粒表面沉降,导致细胞产生氧化应激,如果它们不能穿过细胞膜,则会诱导肠道局部炎症[60],如果颗粒足够小,可以穿过肠道上皮细胞,此时位于颗粒表面的ROS 毒性就会增强,介导细胞产生应激反应[61](图2)㊂1.2㊀炎症产生的潜在机制(The underlying mecha -nism of inflammation)胃肠道是MPs 和NPs 经摄入途径进入人体后发生积累的组织器官,MPs 和NPs 带来的机械损伤或刺激很容易造成胃肠道的炎症反应[12,44],炎症反应的产生机制可以分为2个方面:(1)促炎细胞因子释放产生的炎症反应[12];(2)肠道菌群失调,条件致病菌增多,导致免疫失衡以及脂多糖含量增加刺激炎症产生[46,62]㊂MPs 和NPs 可通过2种机制诱导促炎细胞因子释放(图2),一种机制是MPs 和NPs直接刺激产图2㊀引起胃肠道(GIT )氧化应激㊁炎症及细胞凋亡的潜在机制注:微塑料和纳米塑料一方面直接刺激细胞产生ROS ,另一方面调控细胞抗氧化系统抑制ROS 代谢从而导致ROS 激增,诱导氧化应激的产生;微塑料和纳米塑料可直接刺激细胞产生炎症细胞因子或通过氧化应激诱导炎症反应,产生的炎症反应和氧化应激最终导致细胞凋亡㊂Fig.2㊀Potential mechanisms causing oxidative stress,inflammation and apoptosis in the gastrointestinal tract (GIT)Note:On the one hand,microplastics and nano -plastics directly stimulate cells to produce ROS,on the other hand,they regulate cellular antioxidant system to inhibit ROS metabolism and lead to ROS surge,resulting in a surge of ROS and inducing oxidative stress;microplastics and nano -plastics can directly stimulate cells to produce inflammatory cytokines or induce inflammatory response through oxidative stress;the resulting inflammatory response and oxidative stress eventually lead to cell apoptosis.第4期孙凡晰等:微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展135㊀表1㊀微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏产生的毒性效应及机制T a b l e 1㊀T o x i c e f f e c t s a n d m e c h a n i s m o f m i c r o p l a s t i c s a n d n a n o -p l a s t i c s o n h u m a n b o d y器官/细胞O r g a n s /C e l l s 聚合物P o l y m e r 剂量D o s e毒性效应T o x i c i t y e f f e c t 产生机制G e n e r a t i o n m e c h a n i s m体内研究(小鼠)I n v i v o s t u d i e s (m i c e )肝脏㊁结肠㊁回肠和盲肠内容物[13]L i v e r ,c o l o n ,i l e u m a n dc e c u m c o n t e n t s[13]P S100,1000μg ㊃L -1脂质代谢紊乱D i s o r d e r o f l i p i d m e t a b o l i s m肠道屏蔽功能障碍I n t e s t i n a l s h i e l d i n g d y s f u n c t i o n肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a胃[12]S t o m a c h [12]P E100μg ㊃m L -1促进幽门螺旋杆菌在胃黏膜上皮细胞快速定植P r o m o t e t h e r a p i d c o l o n i z a t i o n o f H e l i c o b a c t e rp y l o r i i n g a s t r i c m u c o s a l e p i t h e l i a l c e l l s胃部损伤及炎症G a s t r i c i n j u r y a n d i n f l a m m a t i o n髓过氧化物酶表达增加I n c r e a s e d e x p r e s s i o n o fm y e l o p e r o x i d a s eI L -6和T N F -α表达上调U p -r e g u l a t i o n o f I L -6a n d T N F -α结肠和十二指肠[44]C o l o n a n d d u o d e n u m [44]P E6,60,600μg ㊃d -1肠道炎症I n t e s t i n a l i n f l a m m a t i o n I L -1α表达上调U p -r e g u l a t i o n o f I L -1α肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a免疫失衡I m m u n e i m b a l a n c eT L R 4㊁A P -1和I R F 5表达上调U p -r e g u l a t i o n o f T L R 4,A P -1a n d I R F 5结肠[45]C o l o n [45]P S500μg ㊃L -1肠道屏障受损和肠道炎症I m p a i r e d i n t e s t i n a l b a r r i e r a n d i n t e s t i n a l i n f l a m m a t i o n肠道致病菌增加I n c r e a s e d i n t e s t i n a l p a t h o g e n i c b a c t e r i a干扰肠道微生物代谢I n t e r f e r e n c e w i t h i n t e s t i n a l m i c r o b i a l m e t a b o l i s m免疫失衡I m m u n e i m b a l a n c e肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a炎症因子(T N F -α㊁I L -1β和I F N -γ)表达上调U p -r e g u l a t i o n o f i n f l a m m a t o r y f a c t o r s(T N F -α,I L -1βa n d I F N -γ)136㊀生态毒理学报第18卷续表1器官/细胞O r g a n s /C e l l s 聚合物P o l y m e r 剂量D o s e毒性效应T o x i c i t y e f f e c t产生机制G e n e r a t i o n m e c h a n i s m 小肠和盲肠[46]S m a l l i n t e s t i n e s a n d c e c u m[46]P E5.25ˑ104p a r t i c l e s ㊃d -1肠道通透性增加I n c r e a s e d i n t e s t i n a l p e r m e a b i l i t y肠道炎症I n t e s t i n a l i n f l a m m a t i o n代谢紊乱M e t a b o l i c d i s o r d e r s改变肠道菌群组成C h a n g e s i n t h e c o m p o s i t i o n o f i n t e s t i n a l f l o r a能量代谢和免疫功能相关细菌相对丰度减少R e d u c i n g t h e r e l a t i v e a b u n d a n c e o f b a c t e r i a r e l a t e d t oe n e r g y m e t a b o l i s m a n d i m m u n ef u n c t i o n氧化应激㊁免疫应答和脂质代谢相关基因表达下调D o w n -r e g u l a t i o n o f g e n e s r e l a t e d t oo x i d a t i v e s t r e s s ,i m m u n e r e s p o n s e a n d l i p i d m e t a b o l i s m肝㊁结肠㊁盲肠内容物㊁回肠[48]L i v e r ,c o l o n ,c e c u m c o n t e n t s a n d i l e u m[48]P S100,1000μg ㊃L -1减少肠道黏液分泌D e c r e a s e d s e c r e t i o n o f i n t e s t i n a l m u c u s损害肠道屏障功能D a m a g e t o i n t e s t i n a l b a r r i e r f u n c t i o n肠道微生物群失调和代谢紊乱D y s b i o s i s o f t h e g u t m i c r o b i o m e a n d m e t a b o l i c d i s o r d e r s/小肠和结肠[68]S m a l l i n t e s t i n e s a n d c o l o n[68]P S0.2m g ㊃k g -1肠道屏障功能损伤I n t e s t i n a l b a r r i e r d y s f u n c t i o n条件致病菌增多,紧密连接促进功能微生物减少I n c r e a s e d o p p o r t u n i s t i c p a t h o g e n s a n d d e c r e a s e dt i g h t j u n c t i o n p r o m o t i n g f u n c t i o n a l m i c r o o r g a n i s m s紧密连接蛋白表达下调D o w n -r e g u l a t i o n o f t i g h t j u n c t i o n p r o t e i n e x p r e s s i o n肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a肝脏和小肠[47]L i v e r a n d s m a l l i n t e s t i n e s [47]P S55μg ㊃d -1胰岛素抵抗I n s u l i n r e s i s t a n c e糖尿病D i a b e t e s m e l l i t u s肠-肝轴代谢串扰M e t a b o l i c c r o s s t a l k o f g u t -l i v e r a x i s肝脏和盲肠[69]L i v e r a n d c e c u m [69]P S100,1000μg ㊃L -1肝脏质量减少R e d u c e d l i v e r w e i g h t肠道黏液分泌减少D e c r e a s e d s e c r e t i o n o f i n t e s t i n a l m u c u s肝脏中甘油三酯和总胆固醇水平下降,脂质紊乱D e c r e a s e d t r i g l y c e r i d e a n d t o t a l c h o l e s t e r o l l e v e l s a n dl i p i d d i s o r d e r s i n t h e l i v e r肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a肝脏中合成脂肪和甘油三酯的相关基因的相对m R N A 水平下降D e c r e a s e d r e l a t i v e m R N A l e v e l s o fg e n e s i n v o l v e d i n t h e s y n t h e s i s o f f a t s a n d t r i g l y c e r i d e s i n t h e l i v e r第4期孙凡晰等:微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展137㊀续表1器官/细胞O r g a n s /C e l l s 聚合物P o l y m e r 剂量D o s e 毒性效应T o x i c i t y e f f e c t 产生机制G e n e r a t i o n m e c h a n i s m肝脏[70]L i v e r [70]P S 0.5m g ㊃d-1影响肝脏免疫微环境A f f e c t t h e l i v e r i m m u n e m i c r o e n v i r o n m e n t肝脏局部组织炎症L o c a l t i s s u e i n f l a m m a t i o n i n t h e l i v e r增加N K 细胞和巨噬细胞的免疫浸润,减少B 细胞的免疫浸润I n c r e a s e d i m m u n e i n f i l t r a t i o n o f N K c e l l s a n d m a c r o p h a g e sa n d d e c r e a s e d i m m u n e i n f i l t r a t i o n o f B c e l l s谷丙转氨酶和谷草转氨酶表达增加I n c r e a s e d e x p r e s s i o n o f a l a n i n e a m i n o t r a n s f e r a s ea n d a s p a r t a t e a m i n o t r a n s f e r a s e激活N F -κB 信号通路A c t i v a t i o n o f t h e N F -κB s i g n a l i n g p a t h w a y体外研究I n v i t r o s t u d i e s人胃腺癌细胞[64]H u m a n g a s t r i c a d e n o c a r c i n o m a c e l l s [64]P S2~30μg ㊃m L -1影响细胞活力和形态D e c r e a s e d c e l l v i a b i l i t y a n d m o r p h o l o g y炎症I n f l a m m a t i o nI L -6和I L -8表达上调U p r e g u l a t i o n o f I L -6a n d I L -8人胃黏膜上皮细胞[50]H u m a n g a s t r i c m u c o s a l e p i t h e l i a l c e l l s[50]P S50μg ㊃m L -1细胞增殖速率降低D e c r e a s e d c e l l p r o l i f e r a t i o n r a t e细胞凋亡增加I n c r e a s e d c e l l a p o p t o s i s/人结肠腺癌细胞[17,56]H u m a n c o l o n a d e n o c a r c i n o m a c e l l s [17,56]P S0~200μg ㊃m L -1,0.01~100μg ㊃m L -1降低细胞活力氧化应激和炎症D e c r e a s e d c e l l v i a b i l i t y ;o x i d a t i v e s t r e s s a n d i n f l a m m a t i o n线粒体凋亡M i t o c h o n d r i a l a p o p t o s i sH S P 70㊁H O 1表达上调,I L -1β表达上调T h e e x p r e s s i o n o f H S P 70a n d H O 1w a s u p -r e g u l a t e d ,a n d t h e e x p r e s s i o n o f I L -1βw a s u p -r e g u l a t e d线粒体膜电位增加T h e m i t o c h o n d r i a l m e m b r a n e p o t e n t i a l i n c r e a s e d138㊀生态毒理学报第18卷续表1器官/细胞O r g a n s /C e l l s 聚合物P o l y m e r 剂量D o s e毒性效应T o x i c i t y e f f e c t 产生机制G e n e r a t i o n m e c h a n i s m 人胃癌细胞株[66]H u m a n g a s t r i c c a r c i n o m a c e l l l i n e [66]P S0.1~100μg ㊃m L -1降低细胞活力D e c r e a s e d c e l l v i a b i l i t y诱导细胞凋亡或坏死A p o p t o s i s o r n e c r o s i s w a s i n d u c e d破坏细胞膜完整性D i s r u p t i o n o f c e l l m e m b r a n e i n t e g r i t y ;b a x 表达上调U p -r e g u l a t i o n o f b a x e x p r e s s i o nC a s p a s e -3和C a s p a s e -8蛋白酶表达增加T h e e x p r e s s i o n o f C a s p a s e -3a n dC a s p a s e -8p r o t e a s e w a s i n c r e a s e d人结肠腺癌细胞[51]H u m a n c o l o n a d e n o c a r c i n o m a c e l l s [51]P S100μg ㊃m L -1氧化应激O x i d a t i v e s t r e s s改变氧化应激相关基因表达A l t e r e d e x p r e s s i o n o f o x i d a t i v e s t r e s s -r e l a t e d g e n e sH O 1和S O D 2转录水平显著增加H O 1a n d S O D 2t r a n s c r i p t l e v e l s w e r e s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d人多能干细胞产生的肝脏类器官[40]L i v e r o r g a n o i d s [40]P S0.25~25μg ㊃m L -1破坏代谢酶的功能,增加脂质积累D i s r u p t t h e f u n c t i o n o f m e t a b o l i ce n z y m e s ;i n c r e a s e d l i p i d a c c u m u l a t i o nR O S 生成㊁氧化应激和炎症反应R O S p r o d u c t i o n ;o x i d a t i v e s t r e s sa n d i n f l a m m a t o r y r e s p o n s e肝细胞毒性H e p a t o t o x i c i t yA S L 和A L T 释放增加T h e r e l e a s e o f A S L a n d A L T i n c r e a s e d破坏肝功能相关基因表达D i s r u p t i o n o f g e n e e x p r e s s i o n r e l a t e d t o l i v e r f u n c t i o nH N F 4A 和C Y P 2E 1表达上调T h e e x p r e s s i o n o f H N F 4A a n d C Y P 2E 1w a s u p -r e g u l a t e dI L -6和C O L 1A 1表达上调U p -r e g u l a t e d e x p r e s s i o n o f I L -6a n d C O L 1A 1注:P S 表示聚苯乙烯;P E 表示聚乙烯;R O S 表示活性氧自由基;A S L 表示精氨琥珀酸裂解酶;A L T 表示谷丙转氨酶;I L -6表示白细胞介素6;I L -8表示白细胞介素8;I L -1β表示白细胞介素1β;I L -1α表示白细胞介素1α;T N F -α表示肿瘤坏死因子α;I F N -γ表示γ干扰素㊂N o t e :P S m e a n s p o l y s t y r e n e ;P E m e a n s p o l y e t h y l e n e ;R O S m e a n s r e a c t i v e o x i d e s p e c i e s ;A S L m e a n s a r g i n i n o s u c c i n a t e l y a s e ;A L T m e a n s a l a n i n e t r a n s a m i n a s e ;I L -6m e a n s i n t e r l e u k i n -6;I L -8m e a n s i n t e r l e u k i n -8;I L -1βm e a n s i n t e r l e u k i n -1β;I L -1αm e a n s i n t e r l e u k i n -1α;T N F -αm e a n s t u m o r n e c r o s i s f a c t o r α;I F N -γm e a n s i n t e r f e r o n -γ.第4期孙凡晰等:微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展139㊀生促炎细胞因子㊂在小鼠体内实验中,IL-6和TNF-α升高促进小鼠胃部损伤及炎症[12]㊂在体外研究中,MPs和NPs处理后的胃上皮细胞和小肠上皮细胞均发现促炎反应相关基因(如IL-1β㊁IL-6㊁IL-8)发生不同程度的基因表达上调[63-64],导致促炎细胞因子释放增多㊂另一种机制是氧化应激促进炎症发生,通过氧化应激激活NF-κB㊁p53㊁PPAR-γ和Nrf2等多种转录因子,而这些转录因子可以调控炎症细胞因子的表达[65],从而增加促炎细胞因子的释放㊂体内研究表明,MPs和NPs会导致小鼠胃肠道菌群紊乱㊂MPs和NPs通过与幽门螺旋杆菌相互作用促进其在胃黏膜上皮细胞表面快速定植[12],提高NPs进入组织的效率,促进炎症发生[12]㊂MPs和NPs引起肠道菌群失调,特别是免疫功能相关的细菌相对丰度显著减少[46],致病菌的菌群数量增加,降低CD4+细胞的Th17/Treg细胞百分比,导致免疫失衡,同时血浆脂多糖含量增加[62],刺激肠道炎症产生[45],还有研究发现,肠道菌群失调后,小鼠体内TLR4㊁AP-1和IRF5基因表达上调,以此介导肠道炎症反应[44]㊂1.3㊀细胞凋亡产生的潜在机制(Potential mecha-nisms of apoptosis)内源性和外源性因子均可导致DNA损伤,已有研究发现粒径足够小的NPs可穿过核膜直接造成DNA损伤㊂另外MPs和NPs导致细胞内ROS 水平激增引起的氧化应激也是导致DNA损伤的原因,若DNA损伤修复不及时则诱导细胞凋亡的发生㊂在体外实验中经常可以观察到由氧化应激引起的细胞凋亡[63,66],氧化应激引起细胞凋亡的同时还伴随线粒体膜电位的升高㊂一项以HaCaT细胞为模型的研究发现,在体外模拟氧化应激的条件下,细胞内INF2表达增加,导致线粒体中的ROS超负荷,打破细胞氧化还原平衡,改变线粒体膜电位,引起线粒体应激,同时抑制HIF-1信号通路介导细胞凋亡[67]㊂Bcl-2相关X蛋白(Bcl2-associated X,Bax)是Bcl-2蛋白家族的成员,它可以调节凋亡诱导因子的释放,bax的过表达可能是细胞凋亡发生的另一个原因[66]㊂此外,Bax还可调节线粒体外膜的透化作用,其表达的增加使线粒体膜通透性增加,从而促使凋亡因子从线粒体释放到细胞质中,激活半胱天冬酶,导致细胞凋亡㊂事实上,Bax的N端乙酰化参与了其线粒体靶向作用,因此bax基因表达的上调导致线粒体膜通透性增加,使线粒体内ROS外溢,导致细胞中ROS激增进而引发凋亡㊂另外,MPs和NPs导致的炎症反应最终也会引发细胞凋亡㊂综上所述,MPs和NPs引起氧化应激㊁炎症及细胞凋亡的机制为:ROS产生增加或ROS代谢减少造成细胞内ROS激增,引起DNA损伤和氧化应激;胃肠道菌群失调引起的免疫失衡以及炎症相关细胞因子表达上调导致炎症反应发生;氧化应激和炎症反应最终会导致细胞凋亡,此外MPs和NPs还可使促凋亡相关基因过表达直接导致细胞凋亡(图2)㊂2㊀引发肝脏糖脂代谢紊乱的毒性效应机制(Toxic effect mechanism of liver glucose and lipid metabo-lism disorder)肝脏是人体重要的排毒解毒器官,MPs和NPs 经食物进入人体后聚集在胃肠道上皮细胞表面,纳米级塑料颗粒则被上皮细胞吸收进入淋巴和血液循环,最终经门静脉到达肝脏[11],相关研究还发现NPs 富集后,会扰乱肝脏组织的糖脂代谢[47,69],在人类肝脏类器官的体外研究中也发现了类似的毒性效应(表1)㊂目前,越来越多的研究聚焦于NPs造成肝脏组织糖脂代谢紊乱的毒性机制[13,47,62],主要是从生化和转录组学方面展开分析,发现NPs会从生化和转录水平影响糖脂代谢,其机制大致可以总结为以下2点:(1)在生化水平上影响糖代谢中间代谢物的产生(图3);(2)在转录水平上影响糖脂代谢中关键/限速酶的产生(图4)㊂2.1㊀在生化水平上影响糖脂代谢中间代谢物的产生(Affecting the production of intermediate metabolites for glycolipid metabolism at the biochemical level) NPs会通过影响中间代谢物的产量继而对糖脂代谢造成影响㊂丙酮酸是糖酵解途径的重要中间代谢物,也是连接糖脂代谢的重要枢纽,其产量的增加可能是丙酮酸激酶(PK)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPckc)的水平升高所致[69,71-72],可促进糖代谢向脂质代谢的转化,导致脂肪酸产生增加;肝脏内葡萄糖和胆固醇水平的升高,则可能增加人体罹患Ⅱ型糖尿病㊁高血脂和脂肪肝的风险[71]㊂研究发现,摄入NPs后,肝脏组织内参与糖代谢调控的重要因子和催化酶的生化水平会发生改变,小鼠在摄入NPs后其肝脏细胞中碳水化合物调节元件结合蛋白(ChREBP)的表达量显著降低[69],该蛋白通过抑制PK 和A TP-柠檬酸裂解酶(ACL)的产生,阻碍葡萄糖转化为乙酰辅酶A,使肝脏中的糖原不断积累,增加人体罹患Ⅱ型糖尿病的风险[73]㊂此外ChREBP合成的减少140㊀生态毒理学报第18卷还会导致棕榈酸-5-羟基硬脂酸的合成量减少,研究表明棕榈酸-5-羟基硬脂酸可以增加脂肪组织中胰岛素的敏感性[74],还可以通过激活G 蛋白偶联受体40(GPR40)增加胰岛素的分泌[75],因此NPs 直接导致ChREBP 表达降低后,间接抑制了胰岛素的敏感性和分泌量,进而阻碍糖酵解途径,导致糖代谢紊乱[76],还有研究发现,NPs 可增加组织中乳酸脱氢酶(LDH)和柠檬酸合酶(CS)的活性,这2种酶是参与糖酵解和糖异生的关键酶,其活性增加导致糖代谢紊乱,但目前关于NPs 影响酶活性的具体机制尚不明确[77]㊂在影响脂质代谢方面,NPs 造成ChREBP 表达量的降低导致肝细胞中成纤维细胞生长因子21(FGF21)的合成量下降,从而抑制了FGF21通过加速脂肪组织中脂蛋白分解降低血浆甘油三酯的功能,因此血浆中甘油三酯堆积,导致人体患高血脂的风险增加[78-79]㊂血液中的游离脂肪酸进入肝细胞后帮助肝脏组织内脂肪酸的合成,但有研究发现,NPs处理肝细胞后,脂肪酸转运蛋白2(FATP2)和脂肪酸转运体(FAT)合成量降低[69],因此阻碍了血液中的脂肪酸向肝脏运输,间接阻碍了肝脏脂肪酸的合成;同时还有研究发现,NPs 处理肝细胞后,载脂蛋白和脂肪酸结合蛋白6(FABP6)的合成量显著升高,这2个蛋白参与脂肪酸的转运出胞过程,因此肝脏脂肪酸的水平降低使得甘油三酯的合成不足,间接影响脂图3㊀在生化水平影响糖脂代谢的潜在机制注:在生化水平,纳米塑料通过抑制ChREBP 的合成进而抑制丙酮酸激酶㊁ATP 柠檬酸裂解酶㊁棕榈酸-5-羟基硬脂酸产生,阻碍了乙酰辅酶A 的合成,发生胰岛素抵抗,导致葡萄糖含量升高,最终导致Ⅱ型糖尿病风险增加;ChREBP 的合成减少还会抑制成纤维细胞因子21的合成,减少脂蛋白分解,从而增加血浆中甘油三酯的含量,最终导致高血脂;纳米塑料还通过抑制脂肪酸转运体和脂肪酸转运蛋白2的合成,激活载脂蛋白和脂肪酸结合蛋白6的合成,使肝细胞中脂肪酸合成减少㊁转出增多,导致脂肪储存减少,最终增加脂肪营养不良综合征的风险;ChREBP 表示碳水化合物调节元件结合蛋白㊂Fig.3㊀Potential mechanisms affecting glucose and lipid metabolism at the biochemical levelNote:At the biochemical level,nano -plastics inhibit the synthesis of ChREBP and then inhibit the production of pyruvate kinase,ATP citrate lyase,and palmitic acid -5-hydroxystearic acid,which hinder the synthesis of acetyl -CoA and lead to insulin resistance,leading to the increase of glucose content,and ultimately leading to the increased risk of type 2diabetes;the decreased synthesis of ChREBP can also inhibit the synthesis of fibroblastfactor 21and reduce the decomposition of lipoproteins,thereby increasing the content of triglyceride in plasma and eventually leading to hyperlipidemia;nano -plastics also inhibit the synthesis of fatty acid transporter and fatty acid transporter 2,activate the synthesis of apolipoprotein and fatty acid binding protein 6,reduce the synthesis of fatty acid and increase the export of fatty acid in hepatocytes,resulting in the reduction of fatstorage and ultimately increasing the risk of lipodystrophy syndrome;ChREBP means carbohydrate regulatory element -binding proteins.。
纳米材料对生物体的毒性及其防范纳米技术作为一种新型技术，已经在很多领域得到了广泛应用，比如电子、能源、材料等。
而在生物领域中，纳米生物技术也受到了越来越多的关注。
然而，纳米材料作为一种新型材料，在应用中也存在一定的风险，如何降低其对生物体产生的毒性是目前亟待解决的问题。
一、纳米材料的毒性纳米材料之所以会对生物体产生毒性，主要原因是其表面积-体积比高，容易与生物体内的蛋白等分子发生作用，从而影响生物体的生理功能。
纳米材料的毒性主要表现为：1. 细胞毒性：纳米材料可以穿透细胞膜并进入细胞内，影响细胞的代谢活动，引发细胞损伤及死亡。
2. 器官毒性：纳米材料可以通过吸入、口服等方式进入人体体内，进而影响器官的生理功能。
3. 免疫毒性：纳米材料可以引发免疫反应，从而对免疫系统产生一定的毒性。
4. 遗传毒性：纳米材料可以影响DNA合成及修复，对遗传物质产生一定的毒性。
二、纳米材料的防范措施为了降低纳米材料对生物体的毒性，需要采取一些防范措施。
1. 合理使用：在使用纳米材料时，需要考虑其用途、用量以及使用的环境等因素，从而尽量减少其对生物体的毒性影响。
2. 加强监管：在纳米材料的研发、生产、应用过程中，需要加强监管，确保其安全性和可靠性，避免对生态环境和人类健康造成不良影响。
3. 做好个人防护：在接触纳米材料时，需要做好个人防护措施，如穿戴防护服、戴口罩等，从而减少其对人体的影响。
4. 加强纳米材料的生态安全性研究：在纳米材料应用过程中，需要加强其对生态环境的影响研究，识别其对环境的潜在影响，以及采取相应的措施减少风险。
三、结语纳米材料作为一种新型材料，在应用中的毒性问题需要引起足够的重视，同时也需要加强其生态安全性研究，从而为其安全可靠的应用提供保障。
碳纳米管对生物体的毒性研究碳纳米管是一种重要的纳米材料，因其在电子、光学、机械等各个领域的独特性质而备受关注，具有广泛的应用前景。
然而，随着碳纳米管的全面应用，越来越多的研究表明，碳纳米管存在一定的生物毒性。
因此，研究碳纳米管对生物体的毒性，具有非常重要的现实意义和科学价值。
1. 碳纳米管的毒性来源碳纳米管的毒性主要来源于其微纳米级别的生物相互作用效应，如与生物分子、细胞、组织等发生的物理、化学相互作用过程。
对于碳纳米管的毒性来源，目前学术界尚没有统一的认识，但据研究发现，碳纳米管毒性的主要来源包括以下几个方面：（1）碳纳米管的化学成分。
研究表明，碳纳米管可能存在纯度不高、杂质、缺陷和表面官能团等因素，这些因素可能会影响其对生物体的毒性。
（2）碳纳米管的物理特性。
碳纳米管具有独特的结构和形态，可能会影响其对生物体的相互作用效应。
比如说，碳纳米管的长度、直径、形状、表面结构等因素都可能会影响其对生物体的毒性。
（3）生物相互作用效应。
碳纳米管在与生物分子、细胞、组织等发生相互作用时，可能会产生化学反应，形成过氧化物、自由基等有害物质，从而导致生物毒性。
2. 碳纳米管的生物毒性实验为了研究碳纳米管对生物体的毒性，科研人员采用了多种实验方法，包括体外实验和体内实验。
（1）体外实验。
体外实验是指在离体条件下，将碳纳米管与细胞、细胞培养基、血清等生物学材料进行相互作用，通过观察细胞形态、细胞毒性指标、膜通透性等参数来评价碳纳米管的生物毒性。
体外实验的好处是实验操作简便、结果可重复性好，但缺点是与真实生理环境有差异。
（2）体内实验。
体内实验是指在动物体内，注射或灌胃碳纳米管，通过观察动物行为、血液指标、组织病理学等参数来评价碳纳米管的生物毒性。
体内实验的好处是与真实生理环境更接近，但缺点是操作难度较大、实验结果受到动物本身生理差异的影响。
3. 碳纳米管的生物毒性研究成果目前，有很多的研究表明，碳纳米管具有一定的生物毒性。
纳米材料毒性机制及其影响因素何湘伟;隋阳;张雪莹;李漫;何土保【摘要】纳米材料以其独特的物理化学性质被广泛应用到工农业和人们生活的各个领域,随着纳米材料的生产加工和使用,纳米材料可以经过大气循环、水循环、生物循环进入生态环境,进而侵染生物体,影响人类健康.因此,纳米材料的毒性问题日益受到人们的关注,而纳米材料毒性机制和影响因素是纳米材料毒性研究的热点问题之一.目前,氧化应激和炎症反应是解释纳米材料毒性的两种主要机制,此外,越来越多的研究表明自噬也是纳米材料毒性的一种潜在机制,并且自噬可能与氧化应激和炎症反应相互关联.另一方面,纳米材料的物理化学性质如尺寸、形状、表面修饰等对其毒性产生重要影响.本文首先概括了纳米颗粒进入环境及侵染生物体的方式,分析纳米材料引起生物和环境毒性的机制,最后对影响纳米材料毒性的因素进行深入探讨,以期为纳米毒理学研究提供帮助.【期刊名称】《西南民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(041)003【总页数】10页(P316-325)【关键词】纳米材料;氧化应激;炎症反应;自噬;物理化学性质【作者】何湘伟;隋阳;张雪莹;李漫;何土保【作者单位】北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083;北京林业大学生物科学与技术学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】R994.6;TB383(北京林业大学生物科学与技术学院，北京 100083)纳米材料是指至少有一个维度在1～100nm范围内的材料[1].纳米技术是在纳米尺度(1～100nm)空间对原子、分子进行操作和加工，产生具有独特性能的纳米材料、产品和器件的技术.在这样一个尺度空间中，纳米材料具有一些独特性质，特别是纳米材料的四大效应，即小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应.这些效应使得纳米材料表现出优越的导电性、传导性、光敏性、反应活性及磁性.纳米技术的飞速发展可能会导致生产方式与生活方式的革命，已经成为当前许多国家投入最多、发展最快的科学研究和技术开发领域之一.经过20多年的基础和应用研究，纳米材料正在投入商业应用.在化学化工、信息技术、医药技术、电子技术等领域均有广泛应用，预计到2015年纳米材料市场将会达到1万亿美元[2].同时在生物医学领域，包括活体成像、诊断治疗、靶向输运等，纳米材料的身影无处不在.发展纳米技术的目的是为社会带来巨大利益.然而随着纳米材料的广泛使用，纳米材料不可避免地会逐渐进入生态系统，并且会随着大气循环、水循环、生物循环进入生物体.政府、企业界、公众和科学家们很快意识到纳米材料的健康效应是不容忽视的问题，并纷纷表示关注.越来越多的研究表明纳米材料具有一定的毒性[3]，2015年3月我们以Nano∗和Toxi∗为主题在Web of Science检索，发现了相关的文献总共达42000多篇，并且每年关于纳米材料毒性研究的相关文献不断上升，特别是近几年来发展非常迅速，其中2012、2013和2014年分别达到了5976篇、7390篇和7890篇.研究人员已经发现纳米颗粒或纳米材料对于整个生态系统的毒性作用，并且在细胞、真菌、细菌、藻类等多个物种中展开了实验，通过对纳米材料毒性研究的探索，在纳米材料的毒性机制及其影响因素方面发表了大量的文章，得到了一些基本结论.本文从纳米颗粒进入环境及侵染生物体的方式切入，总结了最近关于纳米材料毒性机制的主要研究成果，分析了影响纳米材料毒性的主要因素，为纳米材料的毒性研究提供帮助.环境中的纳米颗粒主要有两种来源:人为来源与自然来源.人为来源主要包括纳米材料生产、使用、废弃过程中以各种形式排放到环境中的纳米颗粒，除此之外，煤、石油、天然气的使用以及汽车尾气排放等也会产生一定的纳米颗粒进入大气；自然来源主要是一些自然现象产生的，例如火山爆发、森林火灾、生物合成等.不论是人为来源还是自然来源，进入环境中的纳米颗粒均会随着大气循环、水循环、生物循环参与生物圈循环，进而侵染生物体.图1表示了纳米颗粒进入生态环境及其侵染生物体的方式.如图所示，纳米颗粒经过大气输送进入空气，经过大气-地表交换进入土壤，经过水体土壤间的转化等进入水体，最终通过这些途径进入生态环境的各个部分进而影响生态环境.同时，纳米颗粒在大气循环下，会随着空气经过呼吸道被人类吸入；在水循环下随着饮用水经过消化道被人类吸收；在生物循环下，通过食物链的富集作用，随着动植物等被人类摄入；还可能通过皮肤等直接接触影响人类健康.相比较而言，通过呼吸道进入人体的纳米颗粒较多，可能损伤人类肺部健康.Sandra等[4]通过一种“点”法即在纳米材料的去离子水悬浮液中培养细胞24小时，然后用移液器吸取，在介质中作为一个“点”.在相同实验条件下，对9种单细胞机体，包括7种细菌菌株、酵母菌和一种微藻类在CuO、TiO2、两种不同的银纳米颗粒(Ag NPs)、多壁碳纳米管、AgNO3、CuSO4、3，5-二氯苯酚、三氯生等纳米材料中进行试验.实验结果证明测试的化学物质在9种单细胞机体中具有相似的毒性模式，因此不论当生物体是细菌、酵母菌还是水藻的时候，杀死生物的化学物质的毒性效应是相同的.这说明纳米材料对不同物种的毒性机制相同，毒性效应并不因生物物种的不同而有所差异.细胞的氧化应激以及炎症反应是两种主要的解释纳米材料毒性的机制[5].最新研究结果表明，自噬也是纳米材料产生毒性的重要方面.并且，自噬与氧化应激和炎症反应可能存在一定的联系.下面，我们将先对氧化应激和炎症反应这两种毒性机制进行简述，然后着重对自噬这种潜在的机制进行阐述.2.1 氧化应激氧化应激是迄今为止最为普遍接受的一种纳米材料致毒机制[6].氧化应激产生的原因是体内活性氧(ROS)的产生与抗氧化作用失衡，氧化应激导致中性粒细胞的炎性浸润和蛋白酶分泌水平的增加，从而在细胞内蓄积大量氧化中间产物.把小鼠暴露在各种纳米材料(比如 CNT[7-8]、TiO2NP[9]和铁的氧化物[10])，一些氧化应激反应在支气管肺泡灌洗液(BALF)和小鼠肺中被检测到.这包括肺中血红素加氧酶1(HO-1)的表达，其中HO-1是氧化损伤的标志物；脂质过氧化产物的存在，如4-羟基壬烯醛或8 -异前列腺素以及在BALF中谷胱甘肽的消耗.这些体内实验的结果与体外实验相吻合[11-12].生物体在暴露于纳米材料后，氧化剂的生成对于产生毒性响应非常重要这一事实进一步验证了纳米材料的氧化应激毒性机制.纳米材料能够通过不同的机制产生ROS.一方面，活泼的金属与其释放的组分可以产生属于ROS的自由基.一个典型的代表就是氧化铁，当H2O2与Fe2O3接触时可以发生三步特征反应[13].第一步发生Fenton反应，是H2O2与从Fe2O3释放的Fe2+间的反应；另一方面，对于本身不能诱导自由基产生的惰性纳米材料来说，可以通过与细胞线粒体作用，增加细胞线粒体产生ROS[14]，进而对细胞产生损伤.但是富勒烯衍生物具有清除自由基、保护细胞和器官免受ROS损伤的抗氧化作用[15-16].在研究中发现，过量的ROS会使细胞内外发生一系列的变化，通过影响细胞膜、线粒体等细胞器及DNA对细胞造成损害，从而危害整个生物体.如图2，过量的ROS导致膜蛋白失活、氧化蛋白、破坏蛋白质、破坏细胞膜、抑制呼吸链、破坏线粒体、破坏DNA.2.2 炎症反应炎症反应是纳米材料毒性机制的另一方面，炎症反应是指免疫系统被损伤因子激活并且能够清除引起炎症的损伤因子，如病原体微生物等.鼠体内细胞对纳米材料的炎症反应研究结果表明，刚刚侵染时中性白细胞和巨噬细胞会明显增加[18]，在侵染几周之后，尽管组织浸润会减少，但是炎症反应在一个月之后仍然存在[19-20].同时炎性细胞因子也会产生，如IL1β、IL6、MCP1、MIP2、TNF-α[19，21-22].在进一步的体外实验中发现至少巨噬细胞[23]、纤维细胞[24]、上皮细胞[25]、间皮细胞[26]能产生抵抗纳米材料的炎性细胞因子.马力等[27]用非暴露式气管滴注法探究纳米四氧化三铁、纳米二氧化硅以及单壁碳纳米管对大鼠肺的毒性效应，实验发现三种纳米材料组肺泡灌洗液中IL-6浓度升高，纳米二氧化硅和单壁碳纳米管组中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)水平升高.并且病理结果显示，纳米材料造成大鼠肺间质性炎症，大鼠肺组织可见不同程度的巨噬细胞浸润，肺泡结构受到破坏并发生纤维组织增生，形成小结节.Shvedova等[8]研究表明，在使用单壁碳纳米管时，小鼠肺纤维化产生，肺功能降低，出现急性炎症反应.此外，纳米材料引起炎症反应与其对Th1/Th2免疫反应类型的调节相关.Th细胞引发的炎症反应能刺激T细胞、B淋巴细胞和巨噬细胞产生炎性细胞因子.Th1/Th2型免疫反应的产生受到纳米材料尺寸的影响，即较大的颗粒(＞1μm)倾向于导致Th1型免疫反应，而较小的颗粒(＜500nm)则更容易导致Th2型免疫反应[28].2.3 自噬自噬是一种常见的抵御和应急调控机制.细胞通过自噬作用可以消除、降解和消化已经受损、变性、衰老或失去功能的细胞、细胞器、以及变性蛋白质与核酸等生物大分子，从而为细胞的修复、重建和再生提供原料，是再循环和再利用的重要途径.自噬在帮助细胞抵御病原体的侵入的同时也能保卫细胞免受细胞内物的损伤.免疫反应[29]、炎症反应[30]、细胞凋亡[31]等都与自噬有关.因此，一般来说，凋亡是程序化细胞死亡，自噬是程序化细胞存活.在大多数细胞中，以一定的频率发生的自噬通过消除错误折叠的蛋白质及损伤的细胞器来维持正常的细胞稳态.然而在某些条件下这个过程可以被诱发，这些条件主要包括代谢压力(氨基酸或生长因子缺乏)、低氧、网状组织的压力.同样地，自噬在多种不同的疾病中也起着重要作用，例如癌症、神经变性疾病、炎症、肺部疾病[30-32].总体而言，自噬是旨在维持细胞体内平衡的一个非常保守的生理过程，它的变化(即异常激活或缺乏活动)与多种疾病有关，并可能与炎症或氧化应激之间产生相互作用.图3表示了自噬与氧化应激和炎症反应两种机制之间可能存在的联系.而目前氧化应激和炎症反应是解释纳米材料毒性的两种主要机制，因此自噬作为纳米材料毒性的一种潜在机制引起了研究人员的广泛关注，下面我们将对它进行阐述.2.3.1 纳米材料自噬扰动的证据许多实验通过自噬体标记物(LC3-II，Atg5等)或透射电镜(TEM)观察发现，为了抵抗纳米材料入侵，自噬小体的数目在增加，比如在金属氧化物纳米颗粒[33-34]、石墨烯[35]、银纳米线[36]均可以观察到(表1).这些数据表明，纳米材料能改变自噬通路，导致自噬小体的积累.一些研究也表明，在这些效应中，蛋白激酶/mTOR 的通路可能会产生影响，Roy和同事就发现将小鼠暴露于ZnO纳米颗粒时，通过抑制蛋白激酶/mTOR的通路使得小鼠腹腔巨噬细胞自噬小体的形成增强[37].表2进一步表明了纳米材料(例如金属氧化物纳米颗粒[41-42]、树状聚合物纳米材料[43]和碳纳米管[44-45])由于自噬通量堵塞可能导致自噬小体数量的增加.事实上，Orecna和同事们[45]的实验结果表明，当HUVEC细胞暴露于多壁碳纳米管羧酸盐时，LC3-Ⅱ蛋白和p62蛋白质表达增加，而Bafilomycin A1没有进一步增强.在这种情况下，自噬小体的积累可以归因于自噬通量的堵塞；LC3水平增加，却没有自噬小体形成(无p62蛋白质退化)证实了自噬小体的积累.有趣的是，Sun和同事们[46]的研究却发现当将肺上皮细胞A549暴露于CuO纳米颗粒时，随着自噬小体的形成，自噬通量反而增加.2.3.2 纳米材料自噬扰动机制纳米材料诱导的自噬扰动机制现在尚不十分明确，但是自噬-溶酶体融合的损害或溶酶体功能的缺陷可能是一种潜在的机制.如上所述，细胞骨架是一个能支持细胞形状的细胞支架，在控制自噬调节中具有非常重要的作用.事实上，一些研究揭示了微管网络的重要性，同时也说明了在自噬与溶酶体形成和融合过程中肌动蛋白细胞骨架的重要性.在小鼠的肝脏细胞中，药剂比如诺考达唑、长春花碱或细胞松弛素B、D对微管和肌动蛋白微丝的破坏致使自噬小体积累，反映出自噬通量受到抑制.最近研究发现，自噬小体一旦形成，就会沿着微管移动，集中在微管组织中心(MTOC)附近的细胞核区域，这个区域中发现了大量的溶酶体在等待与自噬小体融合.此外，在基础自噬而不是在由饥饿诱导自噬中去乙酰化酶-6通过肌动蛋白改造机制来控制自噬小体与溶酶体的融合.纳米材料在经过细胞膜后，可以与细胞骨架蛋白质(特别是肌动蛋白和微管蛋白)相互作用并影响其功能，同时可能导致自噬过程的损伤.例如，在体外可以观察到由金纳米颗粒引起的微管蛋白聚合物的损伤[48].而且富勒烯纳米颗粒和TiO2纳米颗粒可能通过纳米颗粒与微管蛋白异质二聚体之间的氢键来抑制微管蛋白聚合.除此之外，有研究发现单壁碳纳米管能通过疏水作用与肌动蛋白结合，这种疏水作用能够导致肌动蛋白结构的改变[49].金纳米颗粒对人体真皮成纤维细胞中的肌动蛋白应激纤维产生剂量依赖性效应，从而诱导细胞毒性[50].由于溶酶体参与到自噬过程的最后一步反应，溶酶体功能的紊乱也能导致纳米材料诱导的自噬扰动机制.事实上，一些纳米材料被公认为与溶酶体功能紊乱有关.例如，直径小于8 nm的多壁碳纳米管能诱导成纤维细胞3T3溶酶体膜不稳定(LMD)，导致细胞质内溶酶体内容物释放，这一过程与ROS产物增加有关[51].然而，当在直径更大的多壁碳纳米管或是不同种类的纳米颗粒(例如TiO2和SiO2)以及在其他的细胞系(如包含端粒酶的人支气管上皮细胞和巨噬细胞RAW264.7)时，却不能或仅能观察到较小的溶酶体损伤.由上可知，细胞骨架的破坏以及溶酶体功能的缺陷可能是纳米材料诱导的自噬扰动机制.纳米材料毒性与其特殊的物理化学性质有关，这些性质包括尺寸、形状、表面修饰和其他的因素，例如化学成分、电子结构、杂质种类与含量、生物降解性能以及是否形成“蛋白冠”等[14]，如图4所示.3.1 尺寸大多数的研究表明，纳米材料的毒性与其尺寸成反比.一方面，随着纳米材料尺寸的减小，其比表面积增加，使其有更多的机会接触到细胞或机体.为了研究银纳米颗粒对小鼠的毒性、生物分布以及炎症反应，Park等人[52]给小鼠口服不同粒径大小的银纳米颗粒，包括较小的22、42、71 nm以及较大的323 nm银纳米颗粒.进行了连续14天的实验，发现只有粒径较小的纳米颗粒(22、42、71 nm)能够被小肠吸收进入血液循环，这些进入血液循环的纳米颗粒主要分布到脑、肺、肝、肾等脏器.与小颗粒容易被吸收不同，较大的颗粒(323 nm)则不能进入血液循环.进入血液循环并分布到全身的银纳米颗粒引起血清炎性因子水平的上调，并导致肝、肾组织的病理损伤[14].Choi等[53]的研究表明，在紫外光照下不同尺寸的TiO2纳米颗粒均能产生活性氧自由基，但是小尺寸的纳米颗粒对硝化细菌的毒性更显著.推测的机理为小颗粒具有巨大的比表面积，更容易使其表面活性位点与细菌接触[54].一般认为纳米材料的尺寸越小，其导致的ROS越多[14].活泼的金属与其释放的组分可以产生属于ROS的自由基，尺寸减小ROS增多，从而使得活泼金属等能产生ROS的物质毒性增强.Park等人[55]为了研究不同粒径的银纳米颗粒对人巨噬细胞系U937的促炎症以及毒性效应，选取了4、20、70 nm三种银纳米颗粒，发现4 nm的颗粒引起的氧化应激水平最高，并促使炎性因子IL-8分泌.3.2 形状已经合成的纳米材料具有丰富多样的形状，如球状、杆状、纤维状、扁平状等.研究表明形状与纳米材料的毒性有关.细胞主要通过胞吞作用摄入纳米颗粒.胞吞作用是指通过细胞质膜的变形运动将细胞外的物质转运到细胞内.纳米颗粒的形状会影响其与细胞膜的相互作用，从而对细胞膜的变形运动产生影响，导致细胞对不同形状纳米颗粒的吸收产生差异. Champion等人[56]发现球状细胞比杆状和纤维状更易被细胞摄入胞吞.隆异娟等[57]用发光细菌发光抑制法检测了量子点、多臂纳米棒以及米粒状纳米棒的毒性，并通过紫外照射实验和Vc的影响实验的研究，发现米粒状纳米棒和量子点属于低毒性的范围，而多臂状纳米棒毒性较大，证实了纳米材料的毒性与其形状密切相关.Chithrani等人[58]报道细胞对于金纳米棒的吸收速率比球状金纳米颗粒大.Qiu等人[59]研究了乳腺癌细胞MCF-7对不同形状的金纳米颗粒的摄取，结果与Chithrani等的结果相反.Qiu等认为随着金纳米颗粒长径比的增加，金纳米颗粒的细胞摄取降低.3.3 表面修饰表面修饰是通过物理、化学方法调控纳米颗粒表面的结构和状态，改善其粒度、流动性、电气特性等物性，赋予其新的机能.表面修饰可以改变纳米颗粒的表面状态，调控其表面活性，保护纳米颗粒，提高分散性，改善其与分散介质间的相容性，并为自组装奠定基础.Derfus等[60]和He等[61]提出适当的表面修饰是降低纳米毒性的重要途径.Petri-Fink等[62]证明聚乙烯醇(PVA)包覆能显著降低与氧化铁纳米颗粒的毒性.Brown等[63]指出可以通过表面修饰来减小纳米颗粒对细胞的吸附性，达到降低细胞毒性的目的.当然，并非所有表面修饰都必然降低纳米毒性.例如，Magrez等[64]发现在碳纳米颗粒表面修饰羰基、羟基和羧基等含氧基团会引起碳纳米颗粒毒性增加.这可能与表面修饰引起碳纳米颗粒分散性提高有关.3.4 其他因素其他的因素例如化学成分、电子结构、杂质种类与含量、生物降解性能以及是否形成“蛋白冠”等对纳米毒性机制也产生重要影响[14].相对于尺寸和形状，化学组成对于细胞的影响是更本质的.Yen等人[65]对比金纳米颗粒和银纳米颗粒的细胞毒性和促炎症效应，证明金、银纳米颗粒均能够被J774 A1巨噬细胞摄取，对细胞具有显著毒性效应，但是只有金纳米颗粒能够增加巨噬细胞促炎性因子IL-1、IL-6和TNF -α的表达.金属纳米颗粒特殊的电子结构使其具有特殊的光学性质，从而在光照条件下产生不同的生态系统光致毒性效应[66，67].在纳米材料制备的过程中，可能会引入金属杂质.而这些杂质可能会影响细胞毒性.谷胱甘肽是一种有效的抗氧化剂，能保护细胞免受氧化应激带来的伤害.Liu等[68]发现单壁碳纳米管中的杂质氧化镍引起细胞毒性，机理是调节了谷胱甘肽的氧化还原特性.对于可以降解的纳米材料必须要考虑到其降解后的成分对细胞的影响.Zhai等人[69]研究了人脐静脉内皮细胞HUVEC对介孔二氧化硅纳米颗粒的降解作用，发现介孔二氧化硅纳米颗粒能被细胞降解并排出细胞外，引起胞外硅含量上升.纳米材料进入血液后会与血清蛋白质结合形成“蛋白冠”，Ge等人[70]研究发现单壁碳纳米管吸附血浆蛋白质形成“蛋白冠”之后，能够显著降低其细胞毒性.纳米科学作为21世纪新兴科学，具有巨大的应用价值，纳米材料的开发与应用是一个朝阳产业.纳米材料在工业上应用广泛，在信息、能源、生物、航天等高科技领域将产生深远影响.纳米技术及纳米产品将运用到我们日常生活的方方面面.因此，关于纳米材料毒性的问题会一直受到人们的关注，尽管已经做了大量的研究，但目前仍然有许多问题亟待解决.主要有以下几个方面.关于纳米材料毒性机制尚未完全清楚.由于目前的研究大多数在个体及细胞水平，分子水平开展的相对较少，因此，对于纳米材料毒性机制缺乏分子水平的认识，要明确了解纳米材料毒性机制，分子水平的研究是必不可少的，今后的研究主要应在分子水平上开展.纳米材料毒性检测缺乏统一的方法.尽管关于纳米材料毒性的研究已经发表了一些重要的报告，但是评估纳米材料毒性仍然缺乏标准化、系统化的方法.尤其缺乏在相同实验条件下进行的毒理学评估，从而使得产生的结果有较大的差异甚至会产生相反的结果.因此，需要建立标准的方法来检查纳米材料对人类健康和环境的影响.【相关文献】[1]NOGUEIRA DR，MITJANSM，ROLIM CMB，et al.Mechanisms underlying cytotoxicity induced by engineered nanomaterials:a review of in vitro studies[J].Nanomaterials，2014，4(2):454-484.[2]DJURISIC AB，LEUNG YH，NG AMC，et al.Toxicity ofmetal oxidenanoparticles:mechanisms，characterization，and avoiding experimentalartefacts[J].Small，2015，11(1):26-44.[3]林道辉，冀静，田小利，等.纳米材料的环境行为与生物毒性[J].科学通报，2009，54(23):3590-3604.[4]SANDRA KK，IVASK A，NNIS BERES KK，et al.A novel method for comparison of biocidal properties ofnanomaterials to bacteria，yeasts and algae[J].JHazard Mater，2015，286:75-84.[5]COHIGNAC V，LANDRY MJ，BOCZKOWSKI J，et al.Autophagy as a possible underlyingmechanism of nanomaterial toxicity[J].Nanomaterials，2014，4(3):548-582. 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