碳纳米管的毒性研究进展.docx

碳纳米管的毒性研究进展 纪 宗 斐张 丹 瑛沈 锡 中董（复旦大学附属中山医院消化科 上 海玲 ），（，）碳 纳 米 管 （，）是 一 种 新 型碳 质 纳 米 材 料 ，由 日 本 学 者 饭 岛 （）于 年 首 次 发 现，又 名 巴 基 管 ，它 是 一 种 碳 的 同 素 异 形体 ，是 继 石 墨 、金 钢 石 和 之后 的 碳晶体家族新成 员 。碳纳 米管是一 种由网状碳六边形为管壁构成的 管 状 结 构 ，根 据 管 壁 层 数 可 分 为 单 壁 碳 纳 米 管（，）和 多 壁 碳 纳 米 管 （，）。 的 直 径 约 为 ，则 约 ，但 其 长 度 却 可 达 几 个 微 米。 因 其 具 有 特 殊 的 结 构 、力 学 性 质 、导 电 性 能，最 初 在 材 料科 学 中 广 泛 应 用 。近来还发现碳纳米管具有良好的 生 物 相 容 性 ，并 能 与 蛋 白 质 、核 酸 、脂 类 相 结 合 ，故 可用 于 神 经 再 生 支 架、复 合 骨 材 料、生 物 传 感器、肿 瘤 靶 向、药 物 载 体和 基 因 治 疗等 。碳 纳 米管的体内毒性 目 前 ，碳 纳 米 管 已 经 广 泛应用于材料 和 生 物 医 学 领 域 ，和 人 体 的 接 触 也 越 来 越 多 ，因 此 ，它 是否 具 有 毒 性逐渐成为我们所 关 注 的 焦 点 。以小鼠 为模 型 的 一 系列实验提示呼吸 道 暴 露 于 碳 纳 米 管 可 以 导 致 肺 部 炎 症 和 纤 维 化、循 环系 统 氧 化 损 伤 、动 脉 粥 样 硬 化及 全 身 免 疫 系 统 异 常等 。对 心 血 管 系 统 的 毒 性 作 用 有关碳纳米管 对 于 心 血 管 系 统 的 毒 性 报 道 并 不 多 见 。等曾 发 现 咽 部 注 入 可导致小鼠心肺 、主 动 脉 氧 化 应 激 ，主 动 脉 线 粒 体 破 坏 ，并 可 增 加 动 脉 粥 样 硬 化 的 发 生 率 。对 呼 吸系统的毒性 作 用近 年 来 ，有 关 碳 纳 米 ：【】 ， ， （） ， ， ，【】 ； ； 【摘 要 】 近 年 来 ，碳 纳 米 管 （，）由 于 其 特 殊的结构和理化性质 ，在材料科学和生物 医 学 领 域 具 有潜在的应用前景 。 随 着 与人体的接触也越来越多 ，它是否具有毒性逐渐成为我们所关注的焦点 。 的体内毒性主要表现 为 导致肺部炎症和纤维化 ，循环系统氧化损伤 ，动脉粥样硬化及全身 免 疫 系 统 异 常 等 。 本 文 就 毒性效应的相关研究进行了综述 。【关 键 词 】 碳 纳 米 管 ； 毒 性 ； 发 生 机 制【中 图 分 类 号 】 【文 献 标 志 码 】 ：纪 宗 斐 ，等 碳纳米管的毒性研究进展 管 对 呼 吸 系 统 毒 性 的 报 道 屡 见 不 鲜 。 比 如 ，等将 小 鼠 通 过 气 管 滴 注 的 方 法 染 毒 （剂 量 为 只 ），第 天时 在 显微镜下观察到 沉积 于肺泡 巨 噬细胞的吞噬泡中 ，第天 时 则 发 现 含 颗 粒 的 肺泡巨噬细胞周围已 存 在 严 重 的 肉 芽肿性增生病变 。 另 有 研 究 表 明 ，小鼠 吸 入 后 可 引 起 严 重 的 肺 部 急 性 炎 症 ，并 发 生 进 行 性 的 纤 维 化 和 肉 芽 肿。相 关 的 病 理 生 理 变 化 为 ：由 早 期 粒 细胞聚集发展为 淋巴细胞和巨噬 细 胞 浸 润 ，伴 随 早 期 促 炎 症 因 子 释 放 （，）乃 至 产 生 与 纤 维 化 密 切 相 关 的 ；肥 大 的 上 皮 细 胞 围 绕 在 周 围 形 成 特征性肉芽肿病 变 ，而 分 散 的 则 可 导致弥 漫间质炎症和肺 泡 壁 增 厚 形 成 纤 维 化 改 变 。间 点 观 察 ，均 发 现 微 粒 存 在 于 胞 质 的 空 泡中 ，微 粒长度最长可达 ，还 有 部 分 位 于 细 胞 核 周 围 ，并有可能穿过细胞膜 。 该 研 究 还 证 实 了 含 的 细 胞 数 量 随 着 暴 露 时 间 和 暴 露 剂 量 的 增 加 而 增 加 。 其 他 相 关 研 究 还 发 现 ，小 鼠气 管 注 入 后 ，肺组织病理检查 可 见 被肺巨噬细胞 所 吞噬 ，并且 随着时间和剂量的增加 ， 沉 积 于 肺 巨 噬 细 胞 的 微 粒 越 多 ，甚 至 能 引 起 肉 芽 肿 病 变。以 上 研 究 充 分 证 明 了 确 实 可以结合在细 胞 膜表 面 ，从 而 进 入 细 胞 ，但 目 前 对 于 进入细胞的方式尚 处 于 探 索 阶 段 ，需 要 进 一 步 研 究 证 实 。近 年 来 ，有 些 研 究 对 引 起 细 胞 毒 效 应 的机制进行了 深 入的 探 讨 。将人巨噬细胞暴露 于 浓 度 为 的 之 后，同 样 可 见 到 微 粒 在 细 胞 中 沉 积 。 检 测 其 基 因 表 达 情 况 后 发 现 ，其 中 条 基 因 通路发生了具有统 计 学 意义的表达变化 。这 些 通 路 的表达异常提示了 巨 噬 细 胞 吞 噬 后 可 激 活 各 种 转 录 因 子 包 括 和 ，导 致 氧 化 应 激 ，炎 症 因 子 释 放 ，淋 巴 细胞 募 集 ，诱 导 保 护 和 抗 凋 亡 基 因 表 达 ，激 活 细 胞 ，最终引起固有 和 获 得 免 疫 反 应 激 活 ，甚 至 慢 性 炎 症和 肉 芽 肿 改 变 。其 中 个 最 主要的发生机制为 ：（）激 活 和 ：从 而 引 起 大 量 的 细 胞 因 子 （、）和 趋 化 因 子 激 活 ，细胞表面黏附分子 （、 等 ）的 上调 ，从 而 募 集 炎 症 细 胞 、引 起 慢 性 炎 症 和 肉 芽 肿 病 变 。（）氧 化 应 激 ：过 氧 化 物 岐 化 酶 （，）的 作 用 是 将 活 性 氧 （ ，）转 化 成 相 对 毒 性 小 的 。而 检 测 结 果 提 示 具 有 抗 氧 化 作 用 的 在 及蛋白质水平 均 有 表 达 增 加 ，充 分 说 明 了 活 化 的 巨噬细胞可释放 出 大 量 有 害 的 ，而 氧 化 应 激 产 生 的 根 本 原 因 是 生 成 和 分 解 不 平 衡 ，最 终 导 致 了 的 蓄 积 。（）诱 导 保护和 抗凋亡基因的表达 ： 这 些 基 因 （如 等 ）能够限制 促炎症反应从而 减 少 损 伤 ，其 中 高 表 达 的 可 抑 制 通 路 ， 而 高 表 达 的可 抑 制 通 路 的 激 活 等 。（） 细 胞 激 活 ：巨 噬 细 胞 暴 露 于 后 诱 导 了 、 等 因 子 的 表 达 ，连 同、这 些 共 同 刺 激 因 子 ，直 接 引 导 细 胞 迁徙 到 炎 症 部 位 和 相 结 合 ，最 终 导 致 细 胞 增 殖 激活和细胞因 子 释放 ，并能 再次激活单核巨噬细胞 。其 他 研 究 发 现 ， 可 导 致 各 种 细 胞 株 的 人角质细胞产生 ，从 而 引 起 氧 化 损 伤 和 细 胞 毒效 应 ，表 现 为 抑 制 细 胞 繁 殖 ，细胞存活率下降 。同 时对 消 化 系 统 的 毒 性 作 用我 们之前的实验表 明高 剂 量 的 （ ）可 导 致 肝 脏 炎症 反 应 ，肝 细 胞 线 粒 体 破 坏 和 氧 化 损 伤 ，引 起 蛋 白 偶 联 受 体 、胆 固 醇 合 成 、细 胞 色 素 酶 、 细胞 毒 作 用 等 基 因 通 路 改 变 ，并 发 现 经 羧 基 修 饰 的 较 未 修 饰 的 毒 性 相 对 减 低 。碳 纳 米 管 的 体 内 分 布 随着碳纳米管在材料科 学 和 生 物 医 药 领 域 的 广 泛 应 用 ，它 很可能通过呼吸 道 或 消 化 道 等 途 径 进 入 人 体 ，并 且 积聚于人体的组 织 器 官 中 。因 此 ，研 究 碳 纳 米 管 的 体 内 分 布 、代 谢 十 分 重 要 。等通 过 气 管 滴 注 的 方 法 将 大 鼠染 毒 ，发 现 可 被 清 除 且 不 易 通 过 肺 部 屏 障 ，但 染 毒 后 个 月 内 颗 粒仍然持续存在 于 肺 部 。 然 而 ，其 化 学 结 构 已 部 分 被 修 饰 或 分 解 。等曾 用 拉 曼 光 谱 测 定 静 脉 给 药 后 在 小 鼠 体 内 循 环 代 谢 的 情 况 ，发 现 修 饰 的 在 血 液 循 环 中 最 长 可 存 在 天 ，仅 少 部 分 被 网 状 内 皮 系 统 所 吞 噬 ，约 个 月 内在主要器官中 几 乎 都 被 清 除 。该 实 验 测 得 多 存 在 于 小 鼠 的 肠 道 、粪 便 、肾 脏 及 膀 胱 中 ，提 示 的 主 要 排 泄 途 径 为 胆 道 和 肾 脏 ，而 尸 检 、组 织 学 、血 液 生 化 指 标 未 见 明 显 的 毒 性 反 应 。此 外 ，还 发 现 可 以 有 效 的 检 测 体 内 分 布 情 况 ，并且 该 方法是完全无创 的 评 估 方 法，将 来 可 用 于 进 一 步 研 究 在 体 内 的 循 环 代 谢 途 径 。碳纳 米管的细 胞毒效应及其发生机制 多 种 细 胞 株 的 体 外 实 验 表 明 ，碳纳米 管可以引起人的巨噬 细 胞，、肺 上 皮 细 胞、角 质 细 胞、成 纤 维 细 胞、平 滑 肌 细 胞和 细 胞等 发 生 毒 性 反 应 。 等 用 未 经 表 面 修 饰 的 处 理 人 表 皮 角 质 细 胞 后 ，在 内 多 个 时复 旦 学 报 （医 学 版 ） 年 月 ，（） 可 引 起 角 质 细 胞 中 某 些 信 号 通 路 的 改 变 ，其 中 研 究 最 多 的 是 通 路 ，许 多 实 验 表 明 ， 可 导 致 、释 放 及 炎 症 反 应 ， 最 终 引 起 细 胞 毒 效 应。等的 体 内 试 验进 一 步 证 实 了 该 机 制 的 发 生 ，该 实 验将小鼠皮肤暴 、 和 石 英 ， 可 引 起明显的细胞毒 性 反应 ，包 括 坏 死 、凋 亡 、变 性 ，并 具 有 明显的剂量效 应 关 系 ，各 种 材 料 的 毒 性 程 度 排 序 为石 英 。 因 此 ，不 同 形 态 结构 的 纳 米 材 料 表 现 出 的 细 胞 毒 性 和 生 物 活 性 截 然不 同 。碳 纳 米 管 的 毒 性 取 决 于 多 种 因 素 ，除 了 之 前 提 到 的 纯 度 、形 态 结 构 ，还 包 括 其 长 度 、浓 度 、表 面 修 饰 情 况 、暴 露 时 间 和 暴 露 途 径 ，以及使碳纳米管分 散 的溶 剂 等。 研 究 发 现 ， 的 毒 性 小 于，通 过 增 加 其 水 溶 性 、表 面 修 饰 及 功 能 化 可 减轻碳纳米管 的 毒性。结 论 由于 碳纳 米 管 具 有特殊的结构和长 宽 比 例 ，且 能 进 行 表 面 修 饰 和 功 能 化 ，在医学领域有 着 很好 的 应 用 前 景 。目 前 ，大 量 研 究 表 明 ，碳 纳 米 管 对 小鼠 的 心 血 管 、呼吸 和 消 化系 统均有一定的毒性 ；且 对人体的巨噬细胞 、肺 上 皮 细 胞 ，角 质 细 胞 、和 细 胞 细胞等均可产 生 细胞 毒 效 应 ，引 起 、通 路 激 活 ，激 活 细 胞 ，导 致 氧 化 损 伤 、炎 症 反 应 等 。 但 部分研究者认 为 对于 碳 纳 米 管的毒性研究还不 够 明 确 ，得 出 了 一 些 互 相 矛 盾 的 结 果 ，可能与不同的 实 验 方 法 有 关 ，并 且 目 前 的 研 究 对 于 的 研 究 并 不 全 面 。碳纳米管真 正广 泛 应 用 后能否对环境和人 类 造 成 影 响 仍 未 可 知 ，究 竟 的 安 全 浓 度 是 多 少 ，多 大的累积剂量 可 以对 环 境 和 人类产生影响还需 要 进 一步的研究和 探 索 。露 于 后 发 现 ，该 纳 米 材 料 可 引 起 剂 量效 应相 关 的 通 路 激 活 ，出现 皮肤 增厚及皮肤成纤 维 细 胞 激 活 。同 时 ，实 验 发 现 ， 的 氧 化 损 伤 程 度 和 材 料 的 纯 度 有 关 ，不 纯 的 （含 铁）可 引 起 上 皮 细 胞 激 活 ，谷 胱甘肽等抗氧化 物 质 耗 竭 ，氧 自 由 基 产 生 ，多形核白细胞和肥大细胞 聚 集 ，最 终 引 起 氧 化 损 伤 和 炎 症 反 应 ，而 纯 （含 铁 ）没 有 发 生 类 似 变 化 。 类 似 有 关 对 巨 噬 细 胞 的 毒 性 实 验 表 明 ，和 纯 （含 铁）相 比 ，未 纯 化 （含 铁 ）的 更 容 易 产 生 羟 自 由 基 和 超 氧 化 物 自 由 基，同 时 引起 细 胞 内 含 量 明 显 下 降 ，出 现 脂质过氧化氢积 聚 。而过 氧化氢酶 则可以在某种程度上对巨噬细胞 的 氧 化 损 伤 起 到 保 护 作 用 。 由 此 可 见 ， 的 纯 度 与 细 胞 氧 化 损 伤 的 程 度 密 切 相 关 ，通 过 对 的纯化处 理可以减 少 部分细胞毒效应 。等的 研 究 发 现 ，暴 露 于 后 大 鼠 肺 上 皮 细 胞 内 明 显 增 加 ，并且存在一定 的 剂量 效 应 和 时 间 效 应 关 系 。同时出现抗氧化物质减少 和 耗 竭 ，包 括 还 原 性 谷 胱 甘 肽 （）和 ，最 终 可 引 起 肺 上 皮 细 胞 凋 亡 。实验还发现补充抗氧化物质 如 、 乙 酰 半 胱 氨 酸 （）和 维 生 素 可 减 轻参考文献氧 化 损 伤 的 程 度 ，而 补 充 鱼 藤 酮 （一种可抑制线粒体 功 能 的 物 质 ）则 不 能 减 少 的 产 生 ，因 此 ， 导 致 的 增 加 与 线 粒 体 损 伤 无 相 关 性 。 超 氧 化 物 质 的 增 多 和 抗 氧 化 剂 的 耗 竭 是 引起 细 胞 氧 化 损 伤 的 基 本 规 律 。然 而 ，部 分 有 关 的毒性研究分歧相 当 大 。 等发 现 其 中 有 些 研 究 结 果 只 是 个 假 象 ，比 如 ：用 比 色 法 进 行 细 胞 活