纳米颗粒的毒性问题研究探讨

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21 世纪是学科交叉的世纪, 而纳米科学技术———这个广泛的跨学科研究与开发领域, 无疑是交叉科学的典型代表。目前,各种形式的纳米材料已经以不同的途径进入我们的生活。比如, 工业生产的纳米材料, 目前已经应用到化妆品、涂料、医药诊断等许多传统产业中。医药领域的研究人员正在运用纳米材料的独特性质和纳米组装等技术, 开拓新的医疗诊断和治疗领域,如抗菌的伤口敷料、药效持续时间更长的药物、更好的弥补术、新的药物输送机制等。今后, 人们在工作和生活中使用和接触纳米材料的机会会越来越多。

  《科学计量学》创始人Braun•T 教授一直在对主要的国际学术杂志的论文题目中包含“纳米”的科学术语进行统计, 结果显示: 1994 年科学论文题目中的“纳米”术语约2000 个, 而到2003 年已经超过了5 万个。纳米科学技术的发展速度, 由此可见一斑。人们逐渐认识纳米科学技术的优点和潜在的巨大经济市场的同时, 科学家们开始意识到另外一个新的问题: 纳米技术是否会像工业革命一样给人类带来环境污染、生态破坏以及各种疾病。

   最近一年多, Nature 和Science 杂志已经先后四次发表编者文章, 与各个领域的科学家们讨论纳米材料的生物毒性和生物环境安全性问题。同时, 美国化学会环境科学与技术专业杂志以及欧洲许多杂志也相继发表编者和科学家的文章, 讨论纳米尺度物质的生物效应、对环境和健康的影响问题。英国政府指示英国皇家学会和皇家工程院专门组织了由剑桥大学科学家为首的专家小组调研这个问题, 历时1 年3 个月, 于2004 年7 月29 日发布了长达95 页的研究报告强调: 必须优先开展人造纳米材料的生物环境安全性研究。

   为什么纳米颗粒的毒性与生物环境安全性问题会引起如此极大关注@从纳米颗粒比细胞还小几个量级以及与较大的蛋白质的尺寸相当这一事实, 我们很容易想到, 纳米颗粒很可能侵入人体和其他物种的自然防御系统, 进入细胞并破坏细胞的功能。人造纳米材料进入生命体后, 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还是有害@ 人造纳米颗粒进入细胞后是否会产生特殊的细胞毒性@ 是否容易吸入肺里对呼吸系统产生伤害@是否会穿越脑屏障, 进入大脑而损害大脑的正常功能@ 如果我们考虑生命过程最重要的本质: 生命过程是以生物分子间的化学反应为基础的, 而且,生命体内这些化学反应对生物分子的立体结构的依存性很大。那么, 具有自组装能力的人工纳米分子体系进入人体后, 对生物分子的立体结构进而对生命过程本身的化学反应和自组装过程是否发生干扰@ ⋯⋯这些不仅是科学家关心的科学前沿问题, 也是公众关心的人类健康的社会问题。

   当物质由以前的微米“ 世界”细分到纳米尺度时, 即使化学组成不变, 其物理化学性质将发生根本的变化, 这些变化将使纳米物质呈现出既不同于宏观物质, 也不同于单个孤立原子的很多奇异的物理化学性质, 因而当纳米材料进入生物体( 或人体) 以后, 很有可能导致它们在生物体内出现与常规物质不同的生理行为。初步的一些研究结果也表明, 宏观( 微米) 物质的安全性评价结果可能不适用于纳米物质。比如, 粒径小到一定程度的纳米材料排放到空气中, 有可能借简单扩散或渗透形式穿过肺血屏障和皮肤进入体内( 常规物质就不能) , 对人的健康造成影响。大比表面积的纳米颗粒所具有的很强吸附能力和很高的化学活性, 有可能吸附大量的有毒物质, 在生物体内引起特殊的、意料之外的化学反应等等。

   当然, 这些不同于常规物质的生理行为可能导致正负两方面效应: 负面生物效应, 将产生特殊的生物毒性; 正面生物效应, 将是发现和发展纳米医学应用技术的基础。但是, 从健康和社会安全的角度考虑, 也许对纳米物质的生物毒性研究更为紧迫。因此, 认识和解决这一问题, 也是促进和保障纳米科技健康和可持续发展的必要条件。

   另一方面, 科学家们意识到这些科学问题的重要性, 是基于已经发表的一些相关科学研究数据, 尽管这些依据是间接的。比如, 在欧洲和北美, 科学家们进行了与大气颗粒物有关的长期流行病学研究。这项长达20 多年的研究, 最近得到了一系列结论: 人的发病率和死亡率与所生活周围空气中大气颗粒物浓度和颗粒物尺寸密切相关; 死亡率是由剂量非常低的、相对较小的颗粒物引起的。在美国进行的这项长期人群调查结果显示, 周围空气中2.5μm 颗粒每增加10μg/m3, 总死亡率增加7%～13%。世界卫生组织( WHO) 组织专家对已有的实验数据进行分析,结果发现:
     ( 1) 周围空气10μm 的颗粒每增加100μg /m3, 死亡率增加6%～8%, 但是当周围空气2.5μm 的颗粒每增加100μg /m3,死亡率却增加12%～19%。
   ( 2) 周围空气10μm 的颗粒每增加50μg /m3, 住院病人增加3%～6%, 周围空气2.5μm 的颗粒每增加50μg/m3, 住院病人增加25%。
   ( 3) 周围空气10μm 的颗粒每增加25μg/m3, 哮喘病人病情恶化和使用支气管扩张器的百分比将增加8%, 咳嗽病人将增加12%。

  目前, 细小颗粒物导致疾病的发病率和死亡率增加的机制还不知道。但是科学家们推测, 大气颗粒物中小于100nm 超细颗粒物具有特殊生物机制, 并起关键作用( 100nm 以下正好是纳米科学技术的范围) , 它们在肺组织中的沉积效率很高; 另一种推测是, 小于100nm 的超细颗粒物可能直接作用于心脏, 直接导致心血管疾病;也有人假设是它可以增加血黏度或血的凝固能力, 导致心血管疾病。因此,WHO 最近呼吁要优先研究超细颗粒物, 尤其是纳米尺度颗粒物的生物机制。

  人们很可能在不知不觉中暴露于纳米颗粒浓度增高了的空气中。当进行大规模研究和工业生产纳米材料以后, 研究人员很容易暴露在局部纳米颗粒浓度较大的实验室的空气里; 工厂的工人也容易暴露在纳米颗粒浓度较大的空气环境里; 纳米产品应用过程中, 纳米颗粒的脱落也会改变空气中纳米颗粒的局部浓度。我们研究纳米碳管( 直径约1.4nm, 长度约400nm, 从它们的长度和直径比, 可以认为是一种纳米纤维) 在实验小鼠体内的分布、代谢以及相关的生理行为。结果发现, 这种分子量约60 万的纳米碳管可以像很小的分子一样, 在不同的生物组织和区室之间穿梭, 60 万分子量的常规物质不可能出现如此奇特的现象, 现有的生物学或生理学知识无法解释这些现象。实验还发现, 碳纳米管在皮肤的生理行为与其他体内器脏有很大的不同。比如在循环系统, 1小时左右碳纳米管的蓄积量达到最大, 然后开始逐渐代谢排除。但是在皮肤里, 24小时才达到最大。随后的排除速度很快, 分子量高达60 万的纳米纤维能穿过皮肤排除体外。我们对纳米碳管与肺巨噬细胞相互作用的研究发现, 纳米碳管很容易进入细胞, 在2.5μg /ml( 四十万分之一克) 的低浓度下, 它对肺巨噬细胞的吞噬起促进作用; 但在20μg /ml( 五万分之一克) 时,它会严重损害细胞, 导致肺巨噬细胞的吞噬能力急速下降。美国科学家将仅0.1mg的碳纳米管通过气管注入大鼠体内, 90 天后病理学检查发现, 这些碳纳米纤维均以一定的方式进入肺泡, 90 天后仍停留在大鼠的肺细胞里, 并引起肺部肉芽肿( 类似肺结核前期的病理变化) 的形成。更令人担心的是, 由这些纳米纤维引起的肉芽肿,与常规的粉尘如石棉致肺损伤不同, 没有进行性肺部炎症和细胞增生的表现。这预示碳纳米管的毒性不同于常规物质, 它具有新的致肺损伤机制。美国罗切斯特大学的科学家让大鼠在含有20nm 聚四氟乙烯颗粒的空气中暴露15 分钟, 大多数大鼠在4 个小时内死亡。而暴露在尺寸大于120nm 的聚四氟乙烯颗粒中的大鼠却没有明显的变化, 安然无恙。罗切斯特大学研究人员让小鼠通过呼吸系统吸入直径为35nm 的碳纳米粒子, 然后跟踪碳粒子在老鼠体内的运动。他们发现碳粒子在进入老鼠体内1 天后便出现在其大脑中处理嗅觉的区域———嗅球。同时, 随时间增长, 纳米粒子在嗅觉球中的含量不断增加。现在, 我们还不知道纳米粒子进入大脑并在其中聚集会带来什么样的影响。

  纳米颗粒的来源很多, 尽管工业纳米颗粒和纳米管, 由于其可以大规模生产, 它们对人类的健康和安全以及对人类以外的生物区和生态系统的潜在影响已成为人们关心的重点。但是, 空气中的天然纳米颗粒与以自由状态存在的人造纳米颗粒一样,也必须研究。工业纳米颗粒作为活性成分制造的各种产品, 如防晒油中的遮光剂、各种涂料、高效发光材料等, 这些用于形成复合物的纳米颗粒随后也可能被释放出来。比如,当纳米产品受到损坏和分解的时候释放出的纳米颗粒; 纳米材料自组装的过程中也会形成大量的纳米颗粒。这些不同途径产生的纳米颗粒, 即使是同一种纳米材料( 化学组成相同) , 但是它们的粒径大小、化学形态、表面吸附的污染物等性质却有很大的不同, 所以, 它们导致的生物效应或生物毒性, 也会有很大的不同。这给纳米材料的生物安全性研究, 不仅带来了很大的工作量, 而且在研究方法学上带来了很大的难度。暴露途径是另一个重要的问题。包括吸入暴露、表面接触( 如皮肤暴露) 、消化( 如果将来把纳米颗粒加到食物和饮料中) 纳米颗粒的医学应用。纳米颗粒用来载带活性成分运送到病变细胞, 进行靶向药物输送。尽管这方面的应用只需少量的、可以降解的纳米颗粒。考虑纳米颗粒的尺寸和它们本身的化学性质, 这种暴露途径直接把纳米颗粒送到细胞, 其危险性研究不容忽视。暴露途径对于研究纳米材料的生物安全性十分重要。比如, 人体或生物与材料有直接接触的过程, 有可能导致纳米颗粒对生物体的物理损伤; 如果它进入体内并参与同细胞的反应, 就可能引起组织器官损伤, 等等。

   如果这种纳米材料具有毒性, 并且能够以足够的剂量到达靶器官时, 通过一些研究数据我们就可以预测到这种损伤的程度。但是,经过这些不同暴露途径的纳米颗粒的剂量的确定非常困难, 纳米颗粒容易团聚, 粒径大小会随时间变化而增加, 而纳米颗粒的毒性, 正如前面讨论的那样, 与粒径大小直接相关。因此, 纳米颗粒的准确毒性, 可能出现新的“测不准原理”。暴露剂量是另一个重要的问题。纳米尺寸是决定纳米颗粒毒性大小的一个因素, 但是纳米颗粒的总表面积( 由尺寸和总剂量决定) 也是非常重要的。表面反应活性低的纳米颗粒对人类和其他动物的潜在毒性与暴露的剂量和途径有关。因此, 尽量减少以及准确确定暴露的剂量十分关键。但是, 由于纳米颗粒的团聚特性, 准确测定人或生物在某一环境中对某一尺寸的暴露剂量, 目前还很困难。体内纳米污染的检测是另一个重要的难题。

   上面我们没有讨论纳米颗粒对非人类物种的影响( 除了哺乳动物外) , 目前仅有一例这方面的研究。美国科学家用富勒烯( 碳纳米材料的一种) 处理鱼塘, 他们发现, 鱼塘的水变得很清澈, 推测纳米颗粒可能对微生物产生了影响。如果水和土壤中的生物能够吸收自然环境中的工业纳米颗粒, 这些纳米颗粒的表面活性越大, 它们对生物的干扰可能就越大。然而, 研究分析环境中工业纳米颗粒的潜在危害存在大量的难题。我们不仅对纳米颗粒在将来的纳米产品中的应用范围难以估计, 而且对于从纳米材料( 如复合物) 、纳米产品中释放出可以对人类和环境产生危害的纳米颗粒的可能性、纳米颗粒的形式、数量等都一无所知。

   目前, 国内外纳米材料以及纳米技术对人体健康和社会影响的研究都刚刚开始。纳米生物毒理学是一个刚刚起步的新学科交叉领域, 需要采用纳米科技、生物学、医学、化学和物理学等领域的研究手段和知识进行研究, 任何一个单独的学科都难以胜任这项工作。它既是国际科学前沿,也是与人类健康和生活环境密切相关的重要社会问题, 因此是一个典型的在国家需求和科学前沿的交汇点上的新领域, 充满了科学创新的机遇。

( 作者单位: 中国科学院)