納米SiO-,2-與常規(guī)SiO-,2-致大鼠肺毒作用的比較研究.pdf

1、背景和目的 納米材料是指通過在納米尺度內(nèi)操縱單個原子、單個分子、原子團或分子團，使物質(zhì)成分重新排列組合后制造出的新型物質(zhì)材料，它的幾何尺寸達到納米級尺度。納米顆粒(nanoparticles)是納米材料的一種，也叫超微顆粒(ultrafineparticles)，是指大小在1～100nm間的粒子。由于粒徑變得極小，具有表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，顆粒的理化特性發(fā)生了根本性的變化，由此產(chǎn)生許多優(yōu)異的特性，因此有廣

2、泛的用途。 納米SiO2是我國目前產(chǎn)量最大的納米材料之一。由于納米二氧化硅具有這些奇異特性而被廣泛應(yīng)用于塑料工程、生物醫(yī)學(xué)工程、殺菌劑、食品加工等幾乎所有涉及到常規(guī)SiO2粉體的領(lǐng)域。這就意味著納米SiO2的研究者、生產(chǎn)者、運輸者、消費者乃至消費品處理者以及其進入環(huán)境后涉及的整個生態(tài)系統(tǒng)接觸它的機會大大增加。由于納米SiO2的理化特性發(fā)生巨大改變，其生物學(xué)效應(yīng)的性質(zhì)和強度也可能發(fā)生質(zhì)的變化，因此它對人體健康和生態(tài)環(huán)境的潛在危害已

3、經(jīng)引起人們極大的關(guān)注。有研究發(fā)現(xiàn)多數(shù)納米顆粒的毒性都比同質(zhì)量微米級顆粒要大，一些原本無毒或低毒的微米級顆粒材料當(dāng)粒徑達到納米級時，毒性顯著增強。以石英為代表的結(jié)晶型SiO2對人體的危害的研究已比較充分，可引起多種肺部疾患，其致癌作用也已有足夠的動物實驗證據(jù)和人群流行病學(xué)調(diào)查證據(jù)，于1997年IARC確定為Ⅰ類致癌物。呼吸性石英粉塵在肺中沉積后，與巨噬細胞和上皮細胞相互作用，引起細胞損傷，細胞因子釋放，導(dǎo)致炎癥及氧化應(yīng)激，細胞清除能力受抑

4、制，引起肺部纖維化或細胞遺傳學(xué)損傷，最后引起癌癥。但是，對理化特性明顯不同于常規(guī)材料的納米SiO2的毒性研究資料卻很少，目前僅有少量動物肺部毒性的報道，且研究結(jié)果不一：小鼠氣管注入納米硅膠(14nm)，24小時內(nèi)引發(fā)的肺部炎癥及肺組織損傷比微米級硅膠(213nm)嚴重；納米SiO2染塵1～2個月致肺纖維化效應(yīng)則比常規(guī)SiO2輕。納米SiO2較之常規(guī)結(jié)晶型SiO2致大鼠肺急性、亞急性毒作用情況如何以及兩種SiO2毒性表現(xiàn)會有什么不同尚且不

5、明。面對納米SiO2顆粒接觸機會逐漸增加的可能性，以及現(xiàn)有納米SiO2毒理學(xué)資料的不足，有必要對納米SiO2顆粒的毒性進行研究，并與常規(guī)SiO2顆粒進行比較，為評價納米SiO2顆粒的肺毒性及進一步探討其可能作用機制提供依據(jù)。 本實驗所用的一次性氣管注入法已被廣泛用于呼吸毒理學(xué)研究領(lǐng)域。各種顆粒物的呼吸毒理學(xué)資料顯示，大鼠在這兩種方式下分別暴露于低溶解性材料產(chǎn)生的一些生物學(xué)終點類型，如肺部炎癥、纖維化、對感染的易感性、過敏反應(yīng)以及

6、肺癌發(fā)生的情況類似，因此有研究者認為掌握好氣管注入法的應(yīng)用規(guī)則，根據(jù)不同目的選擇性運用氣管注入法來研究粉塵的毒理學(xué)特征，可以提供同吸入法較一致的有用信息。肺臟是粉塵顆粒物質(zhì)最直接、最主要的靶器官，而大鼠又是粉塵毒理學(xué)研究最敏感的物種，其染塵后支氣管肺泡灌洗液(BALF)中多種成份可發(fā)生明顯變化，通過BALF成分分析可較準確反映肺組織對粉塵的反應(yīng)，預(yù)測粉塵毒性。因此，本實驗選用呼吸毒理學(xué)資料比較完備的常規(guī)SiO2作為參照物，對大鼠進行一次

7、性氣管注入法肺部染塵。通過觀察不同染塵劑量下大鼠支氣管灌洗液(BALF)中細胞總數(shù)、總蛋白含量、乳酸脫氫酶(1actatedehydrogenase，LDH)活性、丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxidedismatase，SOD)活性等指標(biāo)的變化情況，以及不同染塵時間下大鼠BALF中細胞總數(shù)、總蛋白含量以及肺組織病理改變和肺纖維表達情況，觀察納米SiO2肺毒作用的劑量效應(yīng)和時間效應(yīng)關(guān)系

8、，了解納米SiO2對大鼠肺毒作用情況及與常規(guī)SiO2之間的差別，初步建立一種納米材料呼吸毒理研究的篩選模型，同時為下一步納米SiO2顆粒吸入毒性研究的劑量選擇及其可能作用機制的探討提供實驗依據(jù)。 方法 本實驗分為兩部分，分別觀察兩種粉塵對大鼠肺毒作用的劑量-效應(yīng)關(guān)系和時間效應(yīng)關(guān)系。 方法劑量效應(yīng)關(guān)系研究：42只SpragueDawley(SD)大鼠按體重隨機分成7組，用一次性氣管注入法染塵，6組分別注入0.1mg/ml

9、、0.2mg/ml、0.4mg/ml的常規(guī)SiO2或納米SiO2顆粒懸液1ml，對照組注入等體積生理鹽水。染塵3天后進行肺泡灌洗，測定兩種粉塵染塵大鼠BALF中的白細胞總數(shù)、總蛋白含量、LDH活性、MDA含量、SOD活力等，比較兩種粉塵致急性肺損傷作用。 時間效應(yīng)關(guān)系研究：72只SD大鼠按體重隨機分成12組，每只大鼠氣管注入0.6mg/ml的納米SiO2或常規(guī)SiO2顆粒懸液0.5ml，對照組注入等體積生理鹽水。于染塵后3、7、

10、14、28天進行右肺肺泡灌洗，測定兩種粉塵染塵大鼠BALF中的白細胞總數(shù)和總蛋白含量，左肺組織做病理切片，分別用HE染色觀察病理改變，VanGieson's(VG)染色觀察肺部纖維表達情況，并比較兩粉塵致大鼠亞急性肺損傷情況。 結(jié)果 劑量效應(yīng)關(guān)系研究中各組間BALF回收量差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。0.4mg納米SiO2組白細胞總數(shù)(16.0×106)、LDH(914.29U/L)均比對照組(7.2×106，85.71U

11、/L)和常規(guī)SiO2(9.1×106，476.19U/L)高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05或P＜0.01)。染塵組的總蛋白含量較對照組有所增高，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。各染塵組MDA僅0.2mg組常規(guī)SiO2(2.500nmol/L)比對照組(0.633nmol/L)高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。兩種SiO2各劑量組間MDA差異無統(tǒng)計學(xué)意義。0.2mg、0.4mg納米SiO2組以及0.2mg常規(guī)SiO2組的SOD分別

12、為4.133U/ml，4.011U/ml，3.929U/ml，明顯低于對照組(6.088U/ml)，有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.01)。0.4mg/ml納米SiO2組的SOD(4.011U/ml)低于常規(guī)SiO2組(4.972U/ml)，有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)。 時間效應(yīng)關(guān)系研究中常規(guī)SiO2染塵7天肺泡灌洗液回收量低于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05)，其他各組間BALF回收量差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。納米Si

13、O2染塵3、7、14天引起白細胞總數(shù)(16.0×106、11.1×106、12.2×106)較對照組(4.7×106、5.3×106、5.6×106)明顯增高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05或P＜0.01)；其中染塵3天白細胞總數(shù)(16.0×106)高于常規(guī)SiO2組(5.7×106)差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.01)；染塵14、28天總蛋白含量(0.41、0.41g/L)明顯高于對照組(0.16、0.19g/L)和常規(guī)SiO2組(0.2

14、1、0.24g/L)，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.05或P＜0.01)。納米SiO2染塵3天大鼠肺泡腔出現(xiàn)大量以單核細胞、巨噬細胞和中性粒細胞為主的白細胞浸潤，毛細血管充血明顯，血管壁出現(xiàn)嚴重的中性粒細胞、淋巴細胞和嗜酸性細胞浸潤。隨著時間延長，肺泡腔細胞浸潤減輕，間質(zhì)細胞增多，巨噬細胞體積增大，肺泡壁有所增厚，血管周圍炎性浸潤減輕。各時間點常規(guī)SiO2組白細胞總數(shù)和總蛋白含量比對照組稍高，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)；常規(guī)SiO2染

15、塵3天肺泡腔及血管壁周也有炎性浸潤，但浸潤情況比納米SiO2組輕；隨染塵時間延長，間質(zhì)細胞數(shù)增加，細胞體積增大，至28天時肺泡壁有所增厚。VG染色結(jié)果示兩種SiO2染塵28天大鼠肺部均未見明顯的膠原纖維分布。 結(jié)論 1.納米SiO2能引起大鼠肺急性損傷，作用比常規(guī)SiO2強； 2.納米SiO2引起肺部損害的顆粒負荷閾值可能比常規(guī)SiO2低； 3.在本實驗觀察期限內(nèi)，納米SiO2和常規(guī)SiO2致肺纖維化能力可能無