纳米尺度物质的生物环境效应和纳米安全性

1、纳米尺度物质的生物环境效应和纳米安全性摘 要 纳米尺度的物质进入生物、环境以后，与生命体和环境的相互作用过程以及所产生的生物环境效应，是一个新兴的、典型的学科交叉领域。本文主要介绍了纳米生物环境效应的科学问题，并结合国内外已有的实验结果分析了纳米尺度物质可能产生的新的生物效应以及对生物环境健康与安全的潜在影响。本文认为：纳米生物环境效应的研究必须与纳米科学技术的发展同步进行；纳米技术有可能成为人类第一个在其可能产生负面效应之前，就已经过认真研究，引起广泛重视，并最终能安全造福人类的新技术。关键词：纳米生物环境效应 纳米安全性 - -Lm一一、前言20世纪微米科学技术的发展，彻底改变了人类的生活

2、方式，但同时也给我们带来了严重的空气污染、水源污染、生态破坏、气候异常、种种新的疾病等等。早期的“先发展后治理”的思想，使现在的人类每天都在为此付出沉重的代价。进入21世纪以来，纳米科学技术的高速发展，使人们已经认识到了纳米科学技术的优点和巨大的潜力。人们期待，纳米科学技术能象20世纪的微米科学技术一样，从根本上改变人类的生活质量。但是，20世纪的教训也使人们担心，纳米科学技术是否也会对人类产生许多更严重的负面效应。纳米科学技术的研究领域，主要集中在尺寸从01 100 am之间的物质的组成、性质和特殊功能。在这个尺度上，纳米物质会出现些与常规尺度物质差别很大的特殊物理化学性质。例如，颗粒越小，

3、比表面积越大，表面活性就越大，出现巨大的表面效应、量子效应、界面效应等，它们会导致异常的吸附能力、化学反应能力和光催化性能等等。因此，当这些具有特殊性质的纳米结构、纳米尺寸的物质进入生命体以后，会出现什么样的后果，目前这还是一个未知的问题。根据现有的知识，外源性物质的生物效应，与物质本身的物理化学性质直接相关。由于纳米物质具有与常规物质不同的性质，它们与人体直接接触或直接进入人体以后，是否会导致特殊的生物效应?这些效应对生命过程和人体健康是有益或者有害?x,l-生物体和环境会带来什么影响?是否会产生一些新的生物与环境问题?等等。目前有关这些问题的研究还刚刚开始，并且形成了一个新的交叉前沿科学

4、纳米生物环境效应与纳米毒理学。二、问题的起源与国际国内发展势态就在纳米科学快速发展的同时，欧洲和美国的科学家们发表了一项长期流行病学研究结果。在美国进行的这项长期人群调查结果显示，人生活周围空气中25 m颗粒每增加10 gm ，总死亡率增加7 一13 。专家x,l-已有实验数据进行详细分析后发现：(1)人生活周围的空气中，当lOla,m 的颗粒每增加lO01Jgm ，城市居民的死亡率增加6_8 ，当25 m 的颗粒每增加lO01Jgm ，死亡率却增加了12 一19 ：(2)人生活周围的空气中，当lOla,m 的颗粒每增加501Jgm ，城市居民的住院病人增加了3_6 ，当25 m 的颗粒每增加

5、50 gm3，住院病人增加了25 。颗粒物的尺寸变d,X,l-人体健康的影响增大的趋势，引起了科学家们的高度重视，人们不得不考虑小到纳米尺度的物质是否会出现新的生物效应。同时，Science、Nature、ES&T等一系列国际著名学术刊物，也开始讨论纳米物质的生物环境效应问题。尽管迄今为止，在临床或流行病调查中，并没有发现纳米物质中毒的案例。但是，现有的实验研究结果显示，纳米物质进入生物体的确会导致新的生物效应，有正面的影响，也有负面影响。事实上，纳米生物环境效应研究，不仅是新出现的科学问题，而且与纳米药物的研发、生物体纳米检测技术、纳米产品的安全性以及纳米标准等直接相关，是纳米产业健康可持续

6、发展的基础和保证。由于全球(包括我国)正在推动纳米技术的产业化，不久的将来，获得国际公认的鉴定和确认各种纳米产品生物安全性的分析数据将涉及各个国家的巨大商业利益。正因为如此，发达国家迅速组织和开展纳米生物效应的研究，而且发展很快，不到两年时间，国际上已形成了一个新的前沿领域。2004年12月，欧共体在布鲁塞尔公布了European Strategy for Nanotechnology(欧洲纳米战略)和Open Consultation on theEuropean Strategyfor Nanotechnology，把研究纳米生物环境健康效应问题的重要性，列在欧洲纳米发展战略的第三位(见表

7、1)。同时，欧洲启动了“Nanosafety Integrating Projects” 计戈。2001年11月，中国科学院高能物理研究所就提出了开展纳米生物效应、毒理学与安全性研究的建议。对这个问题的关注在时间上实际上比国外早。2004年11月底，我国组织召开了以“纳米尺度物质的生物效应(纳米安全性)”为主题的第243次香山科学会议，组织纳米科学、毒理学、生物学、医学、物理学、化学等领域的专家，对纳米生物效应与安全性等问题进行了深入讨论。与会专家一致认为，必须尽快加强纳米材料生物效应与安全性研究。目前，国内很多研究单位纷纷重视并且已开始从事这方面的研究，如中国科学院高能物理研究所成立了纳米生

8、物效应实验室，其他还有北京大学化学生物学系、北京大学医学部、中国科学院武汉分院、中国医学科学院、中国科学院化学所、军事医学科学院等。为了适应这个新兴领域的多学科交叉的需要，这些研究机构从一开始就建立了多机构合作一协作研究体系，整合了化学、物理、纳米科学、生物学、毒理学、医学等领域的实验技术和优势力量，开展纳米生物效应、纳米毒理学及纳米安全性等前沿科学问题的研究。尽管这些研究起步早，但是由于经费短缺，难以组织较大规模的系统深人的研究，而且目前课题进度也受到了制约。当一个新的领域出现的时候，及时支持，争取先机，是获得原始创新成果的关键。三、使纳米技术比以往任何技术更安全任何一项新的技术，都会带有“

9、双刃剑”的两面性，这是20世纪科学技术发展使人类得到的经验和共识。纳米科学技术可能也不例外。白春礼院士在第243次香山科学会议上指出：“任何技术都是有两面性的，纳米技术也可能同样是把双刃剑。正确的态度是吸取20世纪科学技术发展的经验和教训。以科学发展观为指导，在发展纳米技术的同时，同步开展其安全性的研究，使纳米技术有可能成为第一个在其可能产生负面效应之前就已经过认真研究，引起广泛重视，并最终能安全造福人类的新技术”。纳米物质可能比较容易透过生物膜上的孔隙进人细胞内或如线粒体、内质网、溶酶体、高尔基体和细胞核等细胞器内，并且和生物大分子发生结合或催化化学反应，使生物大分子和生物膜的正常立体结构产

10、生改变，其结果可能将导致体内一些激素和重要酶系的活性丧失。如：树枝状纳米物质可能会造成渗透性破坏，甚至导致细胞膜破裂；水溶性富勒烯分子可能会进人大脑，造成黑鲈鱼大脑损伤等等。由于超微粒子的比表面积增大，其化学活性增高，可能更易对机体造成损伤。目前国内外一些初步的研究表明，正常无害的微米物质，一旦细分成纳米级的超细微粒后，就出现潜在毒性，且颗粒愈小，表面积活性越大，生物反应性愈大。这些事实提示我们，过去宏观物质的生物环境安全性评价结果可能不适用于它的纳米物质。转基因技术之所以引起广泛的争议，甚至被抵制，关键就在于人们对其安全性没有深人的了解。在发展转基因技术的同时，没有同步开展其对环境和人体健康

11、的安全性研究。因此，在发展纳米科技的同时，同步进行安全性研究，是至关重要的。最近的研究还发现，化学修饰对消除和改变纳米物质的毒性非常有效，美国Rice大学报道了消除纳米材料毒性的第一例研究结果，通过化学修饰使纳米颗粒的细胞毒性降低到原来的1千万分之一。四、纳米尺度物质是否具有特殊的生物效应杜邦公司DBWarheit等人在研究单壁纳米碳管(SWNTs)的生物效应时，发现SWNTs对肺部具有较大毒性，在大鼠肺部诱发多发性肉芽瘤。美国宇航局太空中心的Lam等人也报道了类似的研究结果。本文作者也研究了一些纳米金属氧化物颗粒及纳米金属颗粒的生物毒性，发现有的纳米颗粒与相应的微米颗粒相比，生物毒性增加较快

12、。在研究一种磁性纳米颗粒的动态生理行为时，我们发现在生理盐水溶液中尺寸只有约20 nm 的磁性纳米颗粒，在进人动物体内很快就导致凝血现象，凝聚形成小鼠血管直径大小的颗粒，堵塞小鼠血管。这暗示这种纳米颗粒进人人体可能会导致心血管疾病。我们的研究还发现，随尺寸变小，纳米物质的生物毒性有增大的趋势。纽约罗切斯特大学的研究者让大鼠在含有粒径为20 nm 的聚四氟乙烯(特氟龙)颗粒的空气中生活15分钟，大多数实验大鼠在随后4小时内死亡；而另一组生活在含120 nm 特氟龙颗粒的空气中的大鼠，则安然无恙。但是，并非所有的纳米物质都如此。实验发现，有的纳米尺度物质的生物毒性与常规的微米物质相比，并无明显差异

13、，如纳米ZnO就是其中之一。因此，当我们在讨论纳米物质生物效应的时候，不能泛泛言之。需要严谨的指明具体的物质种类、形态、尺寸和剂量等参数。因为，实验发现，这些参数对纳米生物效应的影响很大。这种现象也给纳米物质的生物效应与安全性研究工作，带来了极大的难度。因为，即使同一种物质、同一种形态、同一个剂量，只要纳米尺寸大小改变，它们的生物效应(尤其是生物毒性)就需要重新测试。而测试生物毒性，需要进行大量的动物实验，工作量很大。目前，大部分的纳米材料的急性毒性、亚急性毒性、慢性毒性、以及它们和相应微米物质的差别、对人体健康的影响等，还没有进行过研究，实验数据有限。这一方面需要更长时间的积累数据、分析归纳

14、，才能发现和揭示纳米生物效应的一般性规律，才能建立相应的理论体系；另一方面，也迫切需要建立纳米生物效应研究的新的实验方法学。为了研究纳米物质生物效应的机理，我们需要确定纳米颗粒在体内的吸收、分布、代谢和清除的生物学通路，各种形态纳米物质与生物器官相互作用的方式，不同米材料可能的靶器官或生物标志物等，才有可能全面地考察其体内作用效应和安全性。美国三角公园大学的Everitt等用气溶胶吸人法研究了纳米TiO：对小鼠、大鼠和豚鼠肺部的毒性，结果发现它能产生炎症，这些纳米颗粒在肺里严重沉积，并且清除困难。美国南卫理会大学的Oberdoster发现，c 能使幼大嘴鲈鱼的脑细胞发生脂质过氧化作用，导致GS

15、H在腮部、肺里明显减少。北京大学与高能所纳米生物效应实验室合作研究了水溶性单壁纳米管在小鼠体内的分布，发现水溶性多羟基化单壁碳纳米管(SWNTols)能非常容易、迅速地分布到小鼠的各种组织和脏器。该研究没有发现SWNTols能跨越血脑屏障，但是发现表观分子量高达60万的单壁碳纳米管，在生物体内的行为与小分子相似，这种现象，现有的生理学知识还无法解释。目前，由于受生物体内纳米尺度物质定性、定量检测方法的限制，纳米颗粒在体内的吸收、分布、代谢和清除方式等实验数据还很少。纳米物质的细胞生物学效应与分子生物学效应的研究也已经开始。尽管实验数据同样很少，但我们的前期研究结果显示出一个明显的倾向：纳米颗粒

16、容易进入细胞内并与细胞发生作用。这也许正是纳米药物只所以高效(高生物利用度)的内在本质。但是，各种纳米颗粒对细胞分裂、增殖、凋亡等基本生命过程的影响和相关信号转导通路的调控，以及在细胞水平上产生的生物效应等，目前还不知道。国际上关于纳米载体的细胞毒理学研究、纳米结构表面与生物分子和细胞作用的研究也已经起步，而且进展的速度非常快，特别是关于生物材料的纳米拓扑结构研究。研究人员发现，材料的拓扑结构和化学特性是决定细胞与其相互作用的重要因素。某些纳米拓扑结构会促进细胞的粘附、铺展和细胞骨架的形成，但是在某些情况下，纳米拓扑结构会对细胞骨架分布和张力纤维的取向产生负面的影响。目前，在分子水平上研究纳米

17、物质与生物分子的相互作用及其对生物分子结构和功能的影响也已经开始，但是相关的报道还很少。大气等环境中纳米颗粒的生物效应研究十分重要。大气中的纳米颗粒一直与人类共存，而且浓度随时问、区域而改变。其实人类的许多疾病，可能与生存环境中的纳米颗粒物直接相关，与空气中的大颗粒物的关系较小。比如，研究发现尺寸在7 100nm 的颗粒物在人体呼吸系统内有很高的沉积率，并且尺寸越小，越难以被巨噬细胞清除，且容易向肺组织以外的组织器官转移。只是在纳米科技出现以前，人类忽视了生活环境中的纳米颗粒物对人体健康的影响。纳米颗粒物对环境中的植物、动物、水等的影响，以及具有大表面积、特殊结构和反应活性的纳米材料在大气等环境中的迁移行为、转化行为、团聚的方式和速率，环境纳米颗粒的检测方法和技术等，都十分重要，需要进行深入研究。四、结语在20世纪，由于微米科学技术突飞猛进的发展，人类走了“先发展后治理”的道路。这种科学发展模式给人类的生活和生存环境带来了众多灾难和教训，如生态破坏、环境污染、温室效应，以及不断增加的种种新的疾病等等。所以，在新世纪我们需要坚持科学发展观，在发展纳米科学技术的同时，同步开展其生物环境安全性的研究。在这方面，国内起步较早，已经有较好的前期积累和成果，得到了国际同行的认可和很好评价，并具有一支高水平的研究队伍。所以应该抓住良好的机会，从国家层