纳米银代谢的研究进展

周小婷 王春仁 陈虹 张梅玲

1 中国食品药品检定研究院 （北京 100050）

2 中国药科大学 （南京 211198）

0.引言

伍德罗-威尔逊国际学者中心的新兴纳米科技产品项目（Project on Emerging Nanotechnologies，PEN）罗列了300 多个含纳米银的的产品，远远超过了含碳、钛、硅、锌、金的产品，位居纳米科技产品之首[1]。由于纳米银的广阔的比表面积，其物理、化学、生物特性有很大的改变[2]，表现出独特的抗细菌、真菌、病毒以及抗炎症的特性[3]。因此，纳米银产品被广泛应用于生物医学（包括诊断、治疗、药物传递系统、医疗设备包被以及个人护理）、家电、服装、体育用品和食品接触材料[4～7]。纳米银的广泛应用增加了人体暴露于纳米银的风险，所以，有必要了解纳米银的潜在毒性，以及它在机体中的分布、蓄积以及清除情况。本文将按纳米银进入机体的不同方式对其代谢情况作详细综述。

1.经皮肤进入机体

纳米银经皮肤进入机体，主要是由于其在临床（慢性创伤和溃疡、术后创口敷料、血管和尿管导管、气管导管、矫正外科器械、血管假体、心脏瓣膜的线环[8]）和纺织品上的应用。纳米银敷料在治疗二度创伤（partial-thickness wounds）时，可以减少换药期间的疼痛和焦虑，减少换药次数和护理时间，降低费用，加速表皮再生，降低感染率以及抗生素的耐药性和依赖性[9]，然而过度的使用纳米银产品会导致全身的中毒[10,11]。皮肤是人体最大的器官，它使体内各种组织和器官免受物理性、机械性、化学性和病原微生物性的侵袭[12]，尽管完整的皮肤能起到很好的阻碍作用，纳米银更容易通过受伤的皮肤（烧烫伤和溃疡）进入机体。尽管纳米银敷料和外科缝线已经获准应用于临床并且收到了较好的效果，但是，它的真皮毒性仍然引发了关注和争议[6]。

1.1 动物实验

Nadworny P L 等在猪的一侧造成接触性皮炎，另一侧给予纳米银后，真皮中炎症细胞凋亡明显增加，同时促炎症因子TNF-α、IL-8 降低，抗炎症因子IL-4、表皮生长因子、角质细胞生长因子、角质细胞生长因子2 增加[13]。Samberg M E 等发现纳米银敷料连续14 天应用于正常的猪皮肤表面后，显微镜下没有观察到严重的刺激反应，然而超微结构观察发现致炎点并且纳米银在皮肤表面以及上层角质层[14]。秦宇等采用细胞划痕染料标记示踪技术检验细胞间隙连接通讯的改变，发现纳米银材料中释放的银离子对人永生化表皮细胞HaCaT 细胞间隙连接通讯没有明显影响[15]。因此，纳米银的抗炎症作用是由于纳米银颗粒与皮肤上层细胞间的相互作用-通过释放生物信号完成的。

在皮肤完整性遭到破坏的动物模型中，在脏器中检测到银，说明纳米银可以穿透受损的皮肤。在猪2%体表面积TBSA 的烫伤模型，应用Acticoat 纳米银敷料，血液中银含量是在2 到3周后为38μg/l，之后迅速减少，6 周后检测不到。银在四只猪的肝脏中都检测到（1.413μg/g）、四只猪的心脏中都检测到（0.342μg/g）、三只猪的肾脏中检测到（1.113μg/g）、两只猪的脑中都检测到（0.402μg/g）[16]。然而大鼠5%TBSA 深二度蒸汽烧伤（deep partial-thickness wounds）模型，连续30 天应用纳米银乳膏。给药结束24h 处死时，纳米银仅在脾组织中有明显的蓄积[17]。耿健等在兔耳两侧4 个直径10mm 的创面，应用纳米银敷料后，银能迅速入血，通过血液循环分布于肝、肾、脾等脏器；移除敷料后，血、肝、肾、脾中纳米银含量迅速下降至正常值，不会产生累积现象[18]。造成这种差异的原因可能是不同种属的皮肤结构的差异，也可能是纳米银敷料的不同。

1.2 临床研究

临床的研究由于限制性主要集中在血液学的研究。26 例患者5%TBSA（均值）连续5 天敷纳米银敷料，患者第3 和第5 天血清和尿中纳米银含量增加，但第14 天下降到正常水平，7 例患者在第7 天时出现轻度的肝功能异常，肾功能正常[19]。30 位12%TBSA 创伤需要皮肤移植的病人应用Acticoat 纳米银敷料，在第9 天银含量最高为56.8μg/L，六个月后为0.8μg/L，没有血液学和生物化学毒性[20]。值得注意的是，尽管上述案例中都出现肝脏功能异常，但不能区分出是由于应用纳米银敷料还是创伤本身造成的。Moiemen N S 等研究6 位46.1%TBSA 创伤需要皮肤移植的病人应用Acticoat 纳米银敷料，在第9.5 天银含量最高为200.3μg/L，治疗结束后到达164.8μg/L，随访9 个月结束后为8.2μg/L（平均每天的清除速率为1.5%）。尽管有4 位病人出现了肝药酶上升以及血液学参数的异常，但我们认为是严重的创伤而不是纳米银的毒性造成的。研究中最大创伤71%体表面积却是血液中银含量最低的，原因可能是三度创伤没有血管（与二度创伤相比），以及因为伤势重移植较早，皮肤完整性增强[21]。研究发现在已经愈合的样本中，纳米银聚合物在表层，在未愈合的样本中纳米银渗透得更深[22]。

2.经口进入机体

纳米银在日常消费品（牙膏、可重复使用的瓶子、哺乳奶瓶、厨房用品以及玩具）和水质净化以及食品稳定剂中（如inter alia）有着广泛的应用，使得经口进入机体是纳米银暴露机体的主要途径之一[6,23,24]。啮齿类口服纳米银的研究发现，血液参数的变化以及纳米银颗粒的蓄积，毫无疑问纳米银可以透过肠进入其外周血液进而分散到所有的器官[25～27]。纳米银的主要靶器官是网状内皮系统丰富的器官，这类器官的重要作用是清除进入机体的外来物质[28]。然而由于纳米银不同的粒径、表面电荷、包被、颗粒的稳定性以及动物的品系、喂养方式、给药时间长短、饲养环境，以及个体之间的差异都会造成结果的不同[26,29]。

2.1 单次给药

7.9±0.95 nm 柠檬酸包被的纳米银被用于雄性大鼠，单次口服1、10mg/kg 后银在粪便中被发现，而且血药浓度很低，说明纳米银经胃肠道的吸收不是很好。大部分经过胃肠道由粪便排出体外，极少吸收入血[30]。纳米银凝胶的单次口服纯度为99.96%，粒径为45nm 的纳米银凝胶5000mg/kg，连续观察14 天，病理组织学检查和血液生化指标检测与对照组相比均没有明显的差异[31]。说明纳米银单次口服经胃肠道进入机体的很少，相对安全。

2.2 短期多次给药

wistar 雌性大鼠连续口服28 天直径为14±4nm 的PVP 包被纳米银（纯度为90%）后，粪便中发现高含量的银（每日给药量的63±23%）。在回肠的固有层中巨噬细胞溶酶体、上皮细胞层、肝脏的中央静脉和管区、肾小球的上皮细胞刷状缘细胞腔、肾乳头发现有银聚集和散落的银颗粒[32]。纳米银被巨噬细胞吞噬后留在这些器官里不能被破坏，会长期刺激细胞最终导致氧化猝发直至引起细胞死亡[33～35]。Van der Zande 等研究发现雄性SD 大鼠的口服小于20nm 的非包被和小于15nm 的PVP 包被的纳米银颗粒（90mg/kg）28 天后，只有睾丸和脾脏可能有很少的颗粒状态的吸收。该研究和大多数研究一样，不能确定银是在脑的内皮细胞还是在脑组织中，因此不能确定银是否通过了血脑屏障[29]。

纳米银颗粒除了由于粒径的不同影响其在机体中的蓄积，还体现出蓄积的性别差异。小鼠连续14 天口服和323nm 的纳米银颗粒后，22、42、71nm 组造成脏器毒性以及炎症反应（IL-1、 IL-6、 IL-4、IL-10、IL-12、TGF-γ 等细胞因子出现剂量依赖）[26]。SPF 级SD 大鼠连续28 天口服羧甲基纤维素钠为介质的30、300、1000mg/kg 的纳米银后，在肾脏中银含量显示性别的影响，雌性大鼠是雄性大鼠的两倍[25]。

2.3 长期多次给药

F344 大鼠连续90 天口服20.56nm 的纳米银颗粒（500mg/kg、125mg/kg、30mg/kg）。4 周之后雄性大鼠，体重显著下降，但是食物和水的消耗没有减少。在碱性磷酸酶、胆固醇呈现出剂量依赖，显示多于125mg/kg 的纳米银颗粒导致轻微的肝脏损伤。组织病理学显示胆管增生高发，但是没有坏死，纤维化，沉积。在肾脏中银含量显示性别的影响，雌性大鼠是雄性大鼠的两倍[36]。雌性F433 大鼠显示了更高的纳米银颗粒蓄积在肾脏的各个部位，包括皮质、髓质、内部髓质以及皮质内的肾小球[37]。

3.经肺进入机体

纳米银是粒径在1-100nm 的金属银单质，有研究发现小于2.5μm 的颗粒可以进入肺泡[6]。在日常生活中吸入纳米银的几率较小，但是在实验室或者生产纳米银的车间可能吸入纳米银颗粒[34,38]。纳米银可以通过扩散和对流的轴向运输的方式沉积在肺部，80nm 的纳米颗粒模型预测人类（经口）肺的沉积率为0.4，啮齿类为0.15（经鼻）[39]。因此，纳米银经肺进入机体后的代谢情况值得研究。

3.1 单次给药

雌 性F344 大 鼠 连 续6 小 时 吸 入133μg/m3、15nm 的纳米银[35]。给药结束后肺中有1.7μg 的银，随着时间迅速减少，第7 天时只有初始浓度的4%。血液中也发生了纳米银的迅速消除，同时在肝脏、肾脏、脾脏、脑、心脏中也发现低浓度的银。在鼻腔后部和肺淋巴结处发现较高浓度的银。值得注意的是肝脏中发现较高浓度的银（9-21%），说明肝脏在纳米银吸入后的清除中发挥了重要作用。银从肺中清除有几种方式：转运到淋巴结，经过气管支气管树清除进入胃肠道系统和溶解的银，吸收进入毛细血管进而进入血液循环分布到各个脏器中[35,40]。同时Kanapilly 等发现20nm 的比100nm 的颗粒从肺中清除速度快，可能是小颗粒更容易通过血液循环系统排出体外[41]。

3.2 短期多次给药

短期多次吸入纳米银后引起了炎症反应，最关键的是影响了中枢神经系统。小鼠连续10 天每天4 小时吸入5±2 nm 大小3.3 mg/m3纳米银后，电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测得给药刚结束后肺中银含量31μg/g（干重），给药结束三周后为10μg/g（干重），并且引起了极轻微的炎症反应和细胞因子的释放[34]。Elder A 等证实吸入纳米颗粒的可以通过嗅球进入脑[42]。大鼠连续吸入纳米银28 天在脊椎嗅球中发现有较高计量的银[40]。C57BL/6 小鼠14 天每天6 小时，吸入22.18±1.72nm、1.91*107 个/cm3的纳米银颗粒，大脑中73 个和小脑中144 个基因受到了影响，而这些基因主要与运动神经元疾病，神经变性疾病以及免疫细胞功能有关。血液的实时PCR 也得到了同样的结论[43]。大鼠吸入30-380nm（聚集尺寸）的3 和30mg/kg 的纳米银颗粒两周后，引起了脑水肿、损害了神经元细胞，导致了学习和认知障碍（莫里斯水迷宫实验MWM 和海马长时程增强LTP 实验）[44]。

3.3 长期多次给药

八周大的大鼠连续90 天吸入49、133、515μg/m3的平均粒径在18-19nm 的纳米银颗粒后，雌雄大鼠都出现了胆管增生。肺的潮气量和每分钟呼吸量都显著减少。组织病理学结果显示出现了剂量依赖的损伤，比如：细胞浸润、慢性肺泡炎症包括肺泡壁的加厚、小的肉芽肿损伤。亚慢性毒性显示肺脏和肝脏是纳米银的靶器官。银在肺脏、肝脏和血液中的分布体现了剂量依赖性。银在脊椎嗅球中的含量要比脑高。银在肾脏中的含量体现了性别差异，雌性大约是雄性肾脏银含量的两到三倍，这和Kim Y S 等[36]得到的结果一致。提示性别的蓄积差异和接触的途径无关。在肾脏中纳米银主要聚集在皮质和髓质的基底层部分[45,46]。

4.结语

纳米银具有独特的抗细菌、真菌、病毒以及抗炎症的特性，其产品被广泛应用于日常生活的方方面面。然而，纳米银产品的毒代动力学和风险评估研究依旧远远不够。2010 年德国联邦风险评估研究所(BfR)表示，制造商不应该在纺织品、食品、化妆品等日常消费品中使用纳米银，直到排除潜在的健康风险。2014 年德国环境风险评估委员会（BfR）和联邦环境局（UBA）对各类纳米材料的潜在致癌作用进行了风险评估：尽管存在不确定因素，现有的研究数据并不足以将纳米材料归类为可能导致癌症的物质之中。因此，纳米材料的风险评估和毒代动力学研究依旧任重而道远，并且评估的重点应该放在日常生活中经常暴露于纳米材料的人群上。

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