赵宇亮/陈春英/谷战军研究团队——人造纳米材料的毒性研究

近几十年来，纳米材料或纳米产品在能源、航空航天、农业、工业、生物医药等诸多领域得到了蓬勃发展和广泛应用。然而近些年报道的纳米材料对人类健康和环境安全造成的潜在负面影响引起了各界的担忧，这催生了“纳米毒理学”领域的诞生。该领域主要研究纳米材料或纳米产品在生命周期内对生物的不良健康影响，并进行安全性评估和风险管理，最终实现纳米材料的安全生产、使用和废弃。大量的基础毒理学研究和国际纳米技术标准表明纳米材料的物理化学性质包括化学组分、尺寸、形状、表面化学、结晶度、溶解度、氧化还原电位等会广泛地影响纳米材料与生物体在器官/组织、细胞和分子层次上的相互作用。因此，深入了解纳米材料的理化性质在介导不同水平纳米–生物相互作用中所扮演的角色具有重要意义，这不仅利于实现进行可靠的纳米毒性评估，也有助于设计更加安全的纳米产品。

为此，赵宇亮/陈春英/谷战军团队在Particuology上发表综述文章，深入探讨了人造纳米材料的关键物理化学性质对诱发潜在生物毒性的影响。该文章首先概述了纳米材料如何在器官/组织、细胞和分子水平上与生物体发生相互作用，并在此基础上深入讨论了尺寸、形状、化学性质、表面化学，以及上述理化性质所介导的纳米材料的团聚/聚集、生物冠形成和降解等行为对其毒理学特征的影响。另外，该文章还介绍了研究纳米–生物相互作用的主要分析方法、不同地区和/或国家目前对含纳米材料产品的监管和立法框架，提出了纳米毒理学领域面临的挑战和可能的解决方案，以期为纳米材料的安全性评价提供参考。

本节作者重点讨论了经合组织成立人造纳米材料工作组提出的11种典型纳米材料（包括纳米氧化铈、纳米氧化锌、纳米二氧化钛、金纳米材料、银纳米材料、富勒烯、多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、纳米粘土、二氧化硅、树状聚合物）的关键理化性质以及其所介导的团聚/聚集、形成生物冠和降解行为对不同水平纳米–生物相互作用的影响。

纳米材料核心的化学本质决定了纳米材料的溶解性、催化活性、氧化还原能力、电离特性、与生物大分子的亲和性，从而决定了纳米材料的毒性及其机理。除了核心纳米材料的化学性质，表面涂层/接枝和元素掺杂等材料设计也会影响纳米材料的毒理学特征。元素掺杂通过改变纳米材料的催化性能和溶解特性而影响其毒性。另外，纳米材料制备过程中的金属和杂质残留、内毒素污染等也是其生物毒性的潜在来源。

经肺、胃肠、皮肤暴露的纳米材料，其吸收行为表现出不同的尺寸依赖性。体循环中的纳米材料因其尺寸不同可能发生：快速经肾脏清除、被肝脾吞噬而积聚、经胆汁排泄或实现相对长的血液循环而遍布全身，可见其分布和排泄行为也受尺寸的影响。在细胞水平，尺寸是影响纳米材料内吞途径的重要因素。另外，尺寸直接影响纳米材料造成氧化应激和物理破坏的能力。

纳米材料可以制成多种形状，如纳米球、纳米管、纳米棒、纳米线、纳米立方体、纳米片等。不同形状的纳米材料可能表现出不同的毒代动力学行为、细胞摄取和毒性效应。这可能与形状影响纳米材料晶面暴露、催化性能、生物冠形成等有关。

由于纳米生物相互作用通常发生在纳米–生物界面上，故而纳米材料的表面性质（特别是表面电荷、表面疏水性和表面原子/基团）对其吸收、分布、排泄、细胞摄取及毒性潜力等至关重要。这些表面特性通过综合影响纳米材料在生物介质中的分散性、所形成的生物冠、与细胞表面配体的亲和力、核心纳米材料的ROS生成能力和有毒离子释放程度等方面而发挥作用。

纳米材料由于其超高的表面能而极不稳定，倾向于发生系列转变以降低其表面活性。形成团聚体、表面吸附生物分子而形成生物冠、发生降解是其常见的降低表面能的方式。

本质上，团聚对纳米材料的毒物动力学、细胞摄取和毒性的影响可归因于纳米材料表观尺寸的增强。在人体暴露前形成聚集体可极大地减小经肺、肠、皮肤的吸收而降低系统暴露风险和毒性。然而，纳米材料一旦进入或在机体中形成聚集体，似乎具有很高的毒性潜力。在细胞水平，团聚状态可以改变原始纳米材料的细胞内化途径和摄取程度而产生复杂的影响。总之，团聚状态对最终纳米毒性的影响仍存在争议，需进一步讨论。

生物冠的形成及演化高度依赖于初级纳米材料的理化性质(如尺寸、表面化学、形状等)及其周围生物环境。它会改变原始纳米材料的合成特性并赋予其全新的生物特性。生物冠在介导纳米生物的吸收、血液循环、分布、代谢、细胞摄取和毒性机制等多种相互作用中发挥着主导作用。在大多数情况下，纳米材料表面生物冠的形成可缓解其非特异性的毒害作用，这可能与生物冠抑制细胞摄取、减少ROS生成、降低团聚率、减轻有毒表面活性剂诱导的细胞毒性，减缓纳米材料溶解及释放有毒金属离子等有关；然而生物冠可能具有激活免疫而诱发炎症、改变基因表达、诱发内质网应激、细胞凋亡等负面影响。

纳米材料暴露可能会经历恶劣的胃肠道环境、肝细胞微粒体酶、MPS系统的酸性富含氧化性物质和离子的溶酶体环境，这都将挑战纳米材料的完整性并促进其降解。根据降解程度和速率、完整纳米材料和降解产物的毒性潜力，生物降解对纳米材料的毒理学特征具有深远的影响。例如，银纳米材料降解释放银离子已经被认为是其毒性作用的重要机制之一。而二硫化钼纳米片降解产生的钼酸盐可以参与肝细胞的钼酶合成并提高其活性。吸入不可降解的碳纳米管会长时间聚集在肺部而诱发肉芽肿、肺泡炎和纤维化反应。

纳米毒理学研究的分析方法 

本小节作者首先从分子层面探讨了用于原位分析蛋白冠结构、组成、形成动力学的先进技术，接着在细胞层面介绍了用于可视化纳米材料摄取、转位、毒性作用的高分辨显微镜成像和质谱成像技术、以及基于流式的单细胞技术和多组学技术；最后，在器官层面概述了纳米材料的体内定量方法和活体成像技术用以研究纳米材料的吸收、分布、代谢、排泄。

现阶段，世界各国对含纳米材料产品的监管由现有的一般和特定行业的监管和立法体系覆盖。例如，不同领域纳米产品在欧盟的流通均须遵守the Registration, Evaluation, Authorization, and Restriction of Chemicals regulations和the Classification, Labelling and Packaging Regulation regulations。此外，欧洲食品安全局、欧洲医药局、健康和消费者保护联合研究中心以及欧洲工作安全与健康机构等细分机构还出台了针对本领域纳米产品的监管办法和指导。另外，各国普遍认为纳米材料的风险评估应在个案基础之上，可能的风险与特定的纳米材料和特定的用途有关。比如，美国的食品药品监督管理局(FDA)以特定纳米产品作为重心，通过上市前审查和/或上市后监管系对其进行监管。FDA针对纳米材料的详细监管参见“FDA’s Approach to Regulation of Nanotechnology Products”。美国的环境保护署还出台了一系列法规包括Toxic Substances Control Act, Federal Insecticide, Fungicide and Rodenticide Act, Clean Air Act, and Clean Water Act等对纳米材料整个生命周期进行监管。虽然目前纳米材料与普通化学品有着相似的监管和立法框架，但几乎所有的监管机构都对纳米材料安全性评价的几乎每个阶段都给予了特别的关注，并推出了指南或标准化。还有一些倡导者呼吁建立专门针对纳米材料的立法和监管框架。相信随着纳米材料风险评估的发展，对纳米材料的监管和立法将进一步完善。

总结与展望