纳米银在医学领域的应用及其生物学特性的研究

纳米银在医学领域的应用及其生物学特性研究,奚廷斐中国药品生物制品检定所,2,一、纳米银在医学领域的应用二、纳米银生物学特性的研究,3,纳米银材料具有很稳定的物理化学性能,在电学、光学和催化等众多方面具有比普通银更优异的性能,现已广泛应用于陶瓷材料、环保材料和涂料等许多领域。,一、纳米银在医学领域的应用,4,银离子具有很强的杀菌性,在所有金属中其杀菌活性名列第二(汞名列第一,但有毒副作用、现已不用)。多年来的研究表明,银离子对12种革兰氏阴性菌、8种革兰氏阳性菌、6种霉菌均有强烈的杀灭作用。但近年来的研究表明，纳米银颗粒的抗菌性能远远大于传统的银离子杀菌剂,如硝酸银和磺胺嘧啶银，具有更好的杀菌效果。所以纳米银在医学上也得到了广泛应用。,5,2004年以来，已有89种含纳米银的医疗产品取得了我国各级食品药品监督管理局的注册批件，进入临床应用。,6,7,含纳米银医疗产品种类,1、纳米银抗菌敷料纳米银创可贴、烧烫伤贴、溃疡贴等2、纳米银抗菌导管超滑抗菌导尿管3、纳米银抗菌器械抗菌手术刀、手术钳、手术镊、手术针等,8,4、纳米银妇科用品纳米银妇用抗菌器、纳米银抗菌洗液、纳米银妇用抗菌栓、纳米银妇用抗菌凝胶等5、纳米银计划生育用品纳米银避孕套、纳米银宫内节育器等6、其它纳米银骨水泥、纳米银外用抗菌喷雾器、纳米银口腔抗菌冲洗器等,9,长春市科新生化药械研究所深圳市清华源兴纳米医药科技有限公司湖南湘佳医用器材有限公司深圳市源兴纳米医药科技有限公司沈阳得康医药科技有限公司武汉名实生物医药科技有限责任公司河南英泰医疗科技有限公司内蒙古东银科技有限公司内蒙古国创高科生物医学工程有限公司南京希科纳米医药技术有限公司,国内生产纳米银医疗产品的公司,10,泰州艾力特生物科技有限公司长春吉大高科技股份有限公司湛江新同德制药有限公司桂林天和药业股份有限公司贵州荣发制药有限责任公司贵州佳宜医药科技有限公司贵州红跃药业有限公司广东同德药业有限公司福州康尔威医疗器械有限公司吉林邦安宝医用设备有限公司深圳市爱杰特医药科技有限公司,11,二、纳米银生物学特性研究,12,2003年以来，已有很多研究报告了纳米材料具有特殊的生物学性质：（1）从生物体整体而言，纳米材料在生物体内的分布途径及靶器官具有特殊性（2）从细胞水平来讲，与常规材料不同，纳米颗粒可以通过一些方式直接进入细胞内，导致细胞功能的改变甚至丧失，影响细胞的正常工作。,13,纳米材料这些生物学特性可能会导致生物负效应。（1）纳米材料在生物体内的分布途径及靶器官具有特殊性，可以分布和蓄积在常规材料无法到达的靶器官。所以，其毒性发生的部位、引起的毒性反应、造成的病理变化和毒性作用机理与常规材料有明显差异。（2）纳米颗粒可以通过各种方式直接进入细胞内，导致细胞功能的改变甚至丧失，影响细胞的正常功能。,14,所以，即使化学结构完全相同，但只要一个物质的尺度达到纳米级，也要把该物质作为一种新物质，采用更加适合纳米材料的技术和手段，对其进行安全性评价。,15,但是，对于纳米银这种已进入临床使用的纳米医用材料来讲，它是否具有上述生物学特性、如果有是否造成生物负效应了？对于这些问题的答案还不了解。,16,因此以纳米银颗粒为研究对象，对它的生物学特性进行研究。（1）模拟临床给药方式，考察纳米银在体内的吸收、分布、蓄积、代谢情况，观察纳米材料有无特殊靶器官。（2）针对上述两种纳米材料的特殊靶器官进行研究，力争在细胞水平甚至分子水平上解释两种纳米材料与靶器官细胞作用的机理。,17,试验方法,18,将120只雌性Wistar大鼠随机分为4组，分别为空白对照组、纳米银1次组、纳米银10次组、微米银组；每组分别注射1ml细胞培养液（空白对照溶液）、纳米银混悬液和微米银混悬液，其中纳米银10次组分10次注射，每次注射0.1ml；银的注射总量均为62.8mg/kg，注射方式为皮下注射。分别在2周、4周、8周、12周、18周、24周时，每组任选5只动物，转移到代谢笼中饲养，收集动物24h粪便和尿液；之后分别从这些动物股动脉取约3ml血液；然后断髓处死动物，解剖取注射部位、脑、心、肝、脾、肺、肾、一根股骨、卵巢、子宫、肾上腺。,19,将所有脏器、血液和排泄物，用HNO3和HClO4消解，利用ICP-MS测试消解液中的Ag含量，再根据测试结果计算每个脏器中的Ag含量。分别在2周、12周、24周时，每组任选3只动物，解剖后用手术刀从取出动物的注射部位皮肤、肾、肝、脾、脑、肺中取一小块，处理后进行超微病理分析。,20,结果讨论,21,纳米银和微米银皮下注射后在体内的分布注射后的纳米银和微米银在大鼠体内的分布代谢主要可分为3个部分：（1）蓄积在注射部位（2）被代谢排泄到体外（3）从注射部位迁移出并分布到体内其它脏器。,22,注射部位排泄物,23,迁移到体内的银,24,纳米银和微米银颗粒在体内分布上的差异,25,26,图1-8肾脏银含量变化曲线图,27,28,29,图1-11脑部银含量变化曲线图,30,图1-12肺部银含量变化曲线图,31,纳米银体内分布途径的推测要想使纳米银在体内这么多脏器中分布，一般必须是通过生物体内的循环系统，尤其是血液循环系统实现的。而且已有研究报道进入皮肤的纳米材料可以迁移到淋巴液或血液中。因此为了验证纳米银是否也是通过血液而分布全身的，在试验中的每个时间点，从各组待杀动物的股主动脉抽取了1ml动脉血，通过消解定容，最后利用ICP-MS测定了其中的银含量。,32,图1-13血液中银含量变化曲线图,33,进入体内的纳米银颗粒可能是以两种状态分布到全身。第一，纳米银在体内可能被体液溶解，产生Ag，这些Ag再分布于全身。第二，因为纳米银表面带负电荷，可与蛋白质的正电荷因静电吸附而形成的牢固结合，所以纳米银颗粒具有良好的亲蛋白性，可与血浆蛋白或其它生物蛋白反应，材料表面覆有一层生物蛋白膜或者血浆蛋白膜，这些覆蛋白膜的纳米银流动性更好，通过蛋白的代谢，分布于全身。,34,所以仅根据本试验的ICP-MS的测试结果，是无法分辨出进入体内的银是以离子形式存在还是以颗粒形态存在，也就不能判断纳米银是否具有能够在体内迁移的生物学特性。所以进一步对各组动物体内各脏器的超微结构进行了观测。,35,2.2超微病理分析结果,36,（1）肾在对照组和微米银组动物肾脏超微病理图片中未发现异常物质。但纳米银组动物的肾小管上皮细胞的胞浆中可发现高电子密度的球形物质，尺寸在纳米级，推测为纳米银颗粒；这些纳米银颗粒可能分布在溶酶体和线粒体中。此外，在纳米组动物的肾小球、肾小囊腔、血管腔中也发现有相似的纳米尺度高电子密度的球形物质。,37,38,2周12周24周20000Bar300nm20000Bar300nm40000Bar100nm肾小管上皮细胞中的纳米银颗粒,39,（2）肝在对照组和微米银组动物肝脏超微病理图片中未发现异常物质。但纳米银组动物的肝细胞胞浆中可发现高电子密度的球形物质，尺寸在纳米级，推测为纳米银颗粒；这些纳米银颗粒可能分布在溶酶体和线粒体中。此外，在纳米组动物的肝血窦、窦周隙中也发现有相似的纳米尺度高电子密度的球形物质。,40,20000Bar300nm40000Bar100nm由上图可以发现在肝血窦的窦周隙中有纳米银颗粒，因此可以推断纳米银颗粒可以从血管内皮细胞间隙迁移到窦周隙中。,41,2周12周24周40000Bar100nm20000Bar300nm40000Bar100nm超微病理照片显示在肝细胞中也发现有纳米银颗粒。推测是部分纳米银颗粒依然会以单分散的形式存在，并进入了肝细胞内。,42,（3）脾在对照组和微米银组动物脾脏超微病理图片中未发现异常物质。但纳米银组动物的脾索淋巴细胞胞浆中可发现高电子密度的球形物质，尺寸在纳米级，推测为纳米银颗粒；这些纳米银颗粒可能分布在溶酶体和线粒体中。此外，在纳米组动物的脾血窦中也发现有相似的纳米尺度高电子密度的球形物质。而且发现纳米银组动物脾脏巨噬细胞数量较多。,43,40000Bar100nm20000Bar300nm脾索中的纳米银颗粒,44,2周12周24周40000Bar100nm40000Bar100nm20000Bar300nm超微病理照片显示在淋巴细胞中也发现有纳米银颗粒。推测是部分纳米银颗粒依然会以单分散的形式存在，并进入淋巴细胞内。,45,（4）脑在对照组和微米银组动物脑部超微病理图片中未发现异常物质。但纳米银组动物的脑部超微病理图片可以看到比较多坏死的神经元，而且脑神经元中可发现高电子密度的球形物质，尺寸在纳米级，推测为纳米银颗粒。这些纳米银颗粒可能分布在线粒体中。此外，纳米组动物的血脑屏障外的星形细胞脚板肿胀，显示血脑屏障被破坏。在被破坏的血脑屏障的血管内皮细胞中也发现有相似的纳米尺度高电子密度的球形物质。,46,纳米组微米组空白对照组纳米银组动物的血脑屏障外侧的星形细胞脚板明显肿大，这显示血脑屏障被破坏。与微米银组和空白对照组之间有明显差异。,47,48,40000Bar100nm40000Bar100nm正在通过血脑屏障的纳米银颗粒,49,推测可能有两种途径：（1）第一，通过血管内皮细胞的胞吞和胞吐的转运作用通过血脑屏障。（2）松弛内皮细胞间的紧密连接或溶解内皮细胞的细胞膜的方式破坏BBB而进入脑细胞。但是仅通过本试验的研究结果很难断定，纳米银颗粒是如何从血液中迁移出来的，还需要进一步的研究证明。,50,abc10000Bar1m5000Bar1m20000Bar300nm正常神经元和固缩神经元中的纳米银颗粒a正常神经元b固缩神经元c固缩神经元中有纳米银颗粒,51,2周12周24周40000Bar100nm40000Bar100nm40000Bar100nm纳米银组动物神经元中的纳米银颗粒,52,（5）肺在对照组和微米银组动物肺部超微病理图片中未发现异常物质。但纳米银组动物的肺泡上皮细胞的胞浆中可发现高电子密度的球形物质，尺寸在纳米级，推测为纳米银颗粒。此外，在纳米组动物的血管腔中也发现有相似的纳米尺度高电子密度的球形物质。,53,2周12周24周40000Bar100nm40000Bar100nm40000Bar100nm肺泡上皮细胞中的纳米银颗粒,54,在本研究中对各个脏器超微病理分析照片中可以发现高电子密度的球形物质，尺寸在纳米级。将这些照片与原始的纳米银颗粒照片比较，可以发现各脏器血管腔中的高电子密度物质从电子密度和尺寸这两方面与纳米银基本一致，可以推断这些高电子密度的球形物质是纳米银颗粒。所以，可以推断纳米银在体内依然还是以颗粒状态存在的，并以颗粒状态在全身分布。,55,结论（1）皮下注射后，纳米银与微米银在体内的分布、蓄积和排泄有明显差异。在试验期间，最高曾经有约0.15的纳米银分布于动物体内各脏器；但只有不到0.02的微米银分布到体内，与空白对照相比无显著性差异。这证明相比于微米银，纳米银更易分布到体内其它脏器。（2）体内各脏器中，纳米银在肾、肝、脾、脑、肺等部位的分布明显高于微米银。到试验结束时，还有部分纳米银蓄积于肾、肝、脾、脑、肺中，所以这些器官是纳米银作用的靶器官。（3）纳米银主要是以颗粒状形态通过血液循环系统迁移到肾、肝、脾、脑、肺等部位的。（4）迁移到体内的分散的纳米银颗粒，可以通过肾小管上皮细胞、肝细胞、脾脏淋巴细