纳米铜毒性效应的研究进展

许蓬娟，常凯旋，何加乐，宋德鑫，江 遥，付鹏宇，陈逸伦

(天津中医药大学 中西医结合学院，天津 301617)

纳米材料是指尺寸在纳米级别的具有特殊性能一类材料[1]。自上世纪90年代初期，纳米技术得到了迅速的发展，纳米材料被用于医药、农业、商业等各个领域[2-3]，越来越多的人们能够接触到纳米材料。于是纳米材料带来的安全问题也逐渐引起世人的重视[4]。纳米材料一旦被人体吸收，可分布在心脏、骨髓、肝、肾等多个器官[5-6]，同时，纳米材料还可以穿越许多人体的生物屏障，如血-脑屏障和血-睾屏障[7-8]。因此，纳米材料的生物安全性问题引起公众和政府越来越多的关注[9-11]。已有的研究证据也表明，多种纳米材料对人类的健康确实存在潜在的危害。美国环境保护署报告也将人工纳米粒子被归类为具有未知毒性物质[12]。为保证纳米科技的健康发展，对纳米技术的生物安全评估及危害的防治是十分重要的。

纳米铜是代表性的金属纳米材料之一，也是一种常见的纳米材料，被广泛应用于各个方面，如农药、畜类饲料添加剂、宫内节育环、抗骨质疏松、抗衰老及抗癫痫等药物、抗菌材料等[13-15]。此外，纳米铜还广泛用于电子、油墨、薄膜、涂料、杀菌剂、化妆品、个人护理产品及其它含金属的产品中[16-17]。现代医学研究表明，纳米铜具有抗病毒、抗菌、抗肿瘤、抗炎等作用[18-19]，因此受到医药领域广泛关注，有望应用于多种医疗设备及疾病的药物治疗。

已有研究指出，纳米铜对人类健康、环境安全都存在极大危害[20]，研究纳米铜造成的机体损伤及潜在危害具有重大社会意义。在此，本文就纳米铜毒性效应的研究现状进行了简要的综述，以期能够有利于纳米科技的健康和可持续发展。现有的资料表明纳米铜的毒性主要表现在肝细胞及组织，肾细胞及组织，脾脏细胞及组织、神经细胞及组织，以及其他诸如生殖系统，骨组织，胎盘，黏膜等方面。

1 纳米铜的肝脏毒性

生理生化指标表明，肝脏是纳米材料的主要影响器官，因为肝脏是参与纳米铜代谢的主要器官[21]。Tang等通过纳米铜灌胃也发现肝脏是纳米铜积累的靶器官[22]。Lei等通过核磁共振技术和模式识别方法，发现纳米铜会造成体内甘油三酯和磷脂水平显著增加[23]。此外，经口给纳米铜会造成大鼠及小鼠肝脏肿大，肝细胞坏死并伴有肝功能不全[14,24]。高昭晖等也通过蛋白质组学方法，配合病理学检查的手段发现纳米铜可导致大鼠肝细胞发生脂肪变性[25]。细胞水平上，纳米铜暴露会导致鱼肝癌细胞系PLHC-1细胞形态改变，细胞活性明显降低[26]。

众所周知，氧化应激是纳米材料发挥毒性的重要机制，因此纳米铜也通过诱导生物体内活性氧簇的产生而造成肝脏氧化损伤。Manna等指出纳米铜通过激活氧化应激相关通路诱导肝功能不全和细胞死亡[24]。Tarantino发现纳米铜引起的肝脏损伤是由于产生过量的活性氧簇(Reactive oxygen species,ROS)[27]。David则采用虹鳟鱼作为实验对象，发现纳米铜会诱导鱼体肝脏内氧化应激增加[28]。Tang等也证实纳米铜可以通过激活核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)、有丝分裂原活化蛋白激酶(Mitogenactivatedproteinkinase,MAPK)和信号转导及转录激活因子(signal transducers and activators of transcription,STAT)3条信号通路，进而使大鼠肝脏氧化应激水平显著增高，从而严重影响肝脏代谢功能[29]。

此外，Connolly等人采用H4IIE大鼠肝癌细胞结合透射电镜分析还表明纳米铜还具有非氧化应激介导的细胞毒性作用，其可以对细胞结构进行直接的物理干扰，从而导致肝细胞毒性作用[30]。而Hien等人则证实高浓度的纳米铜会在小鼠肝脏过度积聚导致炎症反应，进而引起肝脏损伤[14]。

2 纳米铜的肾脏毒性

在哺乳动物体内，肾脏是外源化合物进行生物转化及排泄的重要器官之一，因此，也成为纳米铜诱导毒性的主要靶器官[23]。目前，众多体内和体外实验证实了纳米铜可以在肾脏内积累并严重影响肾脏代谢[31]。早在2006年Chen等人通过经口灌胃暴露纳米铜对小鼠的急性毒性试验就指出纳米铜会造成肾小球肿胀等多种肾小球肾炎的症状，导致严重的肾脏损伤[5]。随后，Lee等人发现大鼠连续灌服纳米铜会导致动物生长缓慢，肾小球萎缩等[32]。Liao 和徐敏等人也发现，纳米铜会导致大鼠肾脏损伤，肾功能障碍[33-34]。Lei等人采用核磁共振技术和模式识别方法发现纳米铜会造成大面积肾近端小管坏死，并伴随肾功能障碍，再次证实纳米铜的肾脏毒性[23]。

此外，多项研究表明，纳米铜对肾脏足细胞、系膜细胞等各类具有细胞毒性作用。足细胞，又称肾小球脏层上皮细胞，是肾小球滤过屏障的重要组成部分。由于足细胞是一种终末分化细胞，一旦死亡或丢失后不能再生，是许多肾脏疾病的损伤靶点。当用纳米铜处理足细胞后，发现细胞活性降低，凋亡明显增加[35]。肾小球系膜细胞是肾小球的固有细胞，参与维护肾小球的结构和功能、支撑毛细血管袢，以及调节肾小球滤过作用。Xu等人发现，纳米铜可引起肾脏系膜细胞发生氧化应激进而导致细胞损伤[36]。Zhang等也证实纳米铜可以促进猪肾脏细胞PK15凋亡，从而诱导肾脏毒性[37]。

在纳米铜诱导的肾脏损伤过程中，氧化应激途径的激活扮演着重要的角色。纳米铜可通过调节B细胞淋巴瘤-2相关的x蛋白(Bcl-2 associated X protein,Bax)、B细胞淋巴瘤-2同源区域3凋亡诱导蛋白(Bid)及半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-3 (Caspase-3)等的表达水平，显著降低各类肾脏细胞的超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)水平，导致ROS和丙二醛(malondialdehyde,MDA)的生成增多，从而打破肾脏氧化-抗氧化的平衡，造成肾脏损伤[35-38]。杨保华和Sarkar等人也证实纳米铜造成肾脏损伤伴随着氧化应激水平的升高[39-40]。

纳米铜诱发肾脏毒性的另一个重要机制是炎症反应[39]。徐敏等采用液相芯片技术检测大鼠体内的炎症因子，结果证实纳米铜可以诱发严重的炎症反应，进一步导致肾脏损伤[34]。

3 纳米铜的脾脏毒性

机体脾脏的主要功能是清除受损、老化和坏死的细胞，同时也参与机体的免疫反应。脾脏在组织先天性和适应性免疫应答方面起着至关重要的作用，而研究发现免疫系统是有毒物质的敏感靶标[41]。换言之，脾脏也是纳米铜发挥毒性的靶器官之一，而纳米铜对在体脾脏和体外脾脏细胞都有明显的毒性作用。

Sizova等通过原子发射光谱法(Atomic Emission Spectrometry，AES)和质谱法(Mass Spectrometry,MS)发现静脉注射纳米铜后，纳米铜会在脾脏中积聚并导致其异常的细胞凋亡与免疫功能障碍[42]。Chen和Tang等人也先后指出纳米铜经口给药可以造成实验小鼠的脾脏严重损伤，纳米铜颗粒大量累计[5,22]。纳米铜对在体脾脏的毒性作用依赖于多种重要机制。Zhou等人发现纳米铜暴露后通过调节Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(Kelch-like ECH-associated protein 1，Keap1)-核因子E2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2(NF-E2NF-E2-related factor 2，Nrf2)/抗氧化反应元件(antioxidant response element,ARE)，磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinases,PI3K)/蛋白质丝氨酸苏氨酸激酶(protein-serine-threonine kinase,AKT)和MAPK通路增强体内氧化应激水平，从而造成大鼠脾脏的巨噬细胞增多，炎症因子表达增多，进而导致脾脏免疫系统失衡[43]。

4 纳米铜的神经毒性

当今已有的研究发现纳米铜可以沉积于外周神经系统以及中枢神经系统进而产生一系列的毒性作用。张丽丽通过大鼠鼻腔滴注的纳米铜的方法发现纳米铜会引起中枢神经系统的病理损伤，尤其是嗅球部分最为明显，此外纳米铜还可影响大脑中神经递质的水平[44]。同时在细胞水平，研究者还发现纳米铜处理会导致PC12细胞系(大鼠嗜铬细胞瘤细胞，常见体外神经细胞模型)凋亡与坏死增加[45]。

纳米铜神经毒性的机制与其他器官毒性机制相近，主要包括炎症反应和氧化应激等。从炎症反应来说，纳米铜一方面可穿过血脑屏障直接刺激神经元与神经胶质细胞产生细胞因子的表达水平升高诱发炎症反应。另一方面又可通过侵染其他器官、组织引起炎症，后炎症因子通过血液循环系统导致神经系统炎症。Chen等人利用大鼠纳米铜量子点毒染的手段显示纳米铜会引起海马组织及细胞发生炎症并导致细胞功能障碍进一步诱导细胞凋亡的发生[5]。

其次，氧化应激的激活是纳米铜诱导神经毒性的重要机制。纳米铜进入神经细胞后或造成活性氧簇大量生成，进而导致神经系统氧化-抗氧化失衡，引起神经系统的氧化损伤。Xu等人发现纳米铜处理后的PC12细胞内氧化应激水平明显增加，体现为ROS和MDA水平增高，而SOD水平降低[45]。

5 胃肠道毒性

据报道，纳米铜在酸性环境(pH值5.5)中具有较高的溶解度和Zeta电位[31,46]。这就意味着其在胃内具有较高溶解度及活性。由于胃液的pH值在1.5到2.0之间，纳米铜能与胃液中的氢离子发生反应并转变成离子状态，有利于其分解被吸收到血液循环中造成全身毒性[5,31]。

此外，肠道是铜吸收和转运的主要器官，部分基因突变患者存在肠道铜蓄积现象。研究发现纳米铜对斑马鱼肠道发育有损伤作用，包括上皮细胞变薄、肠绒毛变少和缩短[47]。纳米铜导致小鼠出现显著的消化功能紊乱和明显的生长抑制[32]。用不同剂量的纳米铜处理24～48 h肠上皮细胞，观察细胞损伤和氧化应激的征象，受损的胃肠道壁会损害吸收效率，使纳米铜更容易穿透胃肠道壁[23]。李朝阳也证实经胃肠道染毒的大鼠常呈现出呕吐腹泻、食欲不振等症状[38]。

6 其他毒性

纳米铜可以通过激活氧化应激等多种途径导致卵巢损伤、性激素失衡和卵巢细胞凋亡，同时还影响卵巢癌基因表达[48]。纳米铜复合材料会导致大鼠子宫内膜损伤[49]。农业生产中的纳米铜常作为一种纳米农药还会污染周围环境，破坏土壤，作物的环境生态，例如其会抑制土壤中豇豆的生长[50]。此外，纳米铜还会释放到水中引起非目标水生生物的毒害作用，如显著抑制藻类生长速率，对河口文昌鱼存在毒性作用，对浮游生物水瘙也有较强的毒性作用，进而可能造成鱼类体内纳米铜累计[9,51-53]。纳米铜-氟聚合物能够抑制微生物的生长[54]。纳米铜还可延缓斑马鱼胚胎的孵化，造成幼鱼发育形态畸形，同时还会破坏其绒毛膜的完整性等[55-57]。纳米铜急性经口染毒还可以造成小鼠高致死率，降低线虫繁殖率和摄食[58]，且雄性老鼠出现比雌性小鼠更严重的中毒症状[32]。

7 结语

目前对纳米铜的研究越来越多，研究一方面集中于突出其纳米材料的物理化学表征优点而在各个领域加以利用，并逐步替代传统金属；另一方面则聚焦于其毒性作用。现阶段对于纳米铜的毒性的研究其实还很有限。研究结果大都聚焦于对生物毒性研究，包括在体动植物及离体细胞的毒性及机制研究，有关遗传毒性水平、遗传毒性机制、物理化学性质的影响和暴露途径等因素，仍需要进行全面的研究。此外，现有研究揭示纳米铜的生物毒性的潜在机制和途径主要集中于炎症反应和氧化应激等，但这些可能不是其毒性的唯一机制。

因此，仍需进一步的研究填补现有的研究空白，并探索其他机制在纳米铜毒性作用中的认识。未来的研究还应进一步了解如何全面评估纳米铜对机体的暴露途径及安全范围，如何清除纳米铜体内积累，如何在生物医学及消费品等纳米铜实际应用中体现理论数据的意义。纳米技术与纳米材料在不断发展创新，纳米安全性值得全社会共同关注。