裴星瑶,李道稳,汤树生
(1.中国农业大学动物医学院,北京 100193;2.天津农学院动物科学与动物医学学院,天津市农业动物繁育与健康养殖重点实验室,天津 300384)
近年来,纳米技术已从工业机械领域转化到医药技术、食品生产及养殖业等领域[1]。由于人们对纳米材料,特别是金属或金属氧化物修饰纳米粒子的大量投资,纳米技术目前已蓬勃发展,并带来了深刻的社会和经济效益[2]。其中锌(Zn)的金属氧化物纳米颗粒在化妆品、药品和食品中的应用潜力被逐渐开发[3-5]。Zn是必需微量元素,人和动物体内有数百种功能酶含有Zn,因此氧化锌纳米粒子(zinc oxide nanoparticles,ZnO NP)常被用于营养目的,增强胃肠道的消化吸收功能[3]。此外,由于优异的抗菌能力,ZnO NP已被添加到医学材料和食品中[6]。然而,人类和动物通过各种途径接触纳米颗粒而产生的健康风险正日益引起关注。除接触范围广的特点,改造为纳米材料之后,本体化合物的理化性质和生物反应也会被改变,如ZnO NP体积小,表面积大,与ZnO本体相比更具活性[7]。因此,作为具有纳米材料独特属性的ZnO NP,是否区别于其原始形式,对生态系统和公众健康有更大的威胁,这也是一个值得关注的问题。
近年来,随着研究的逐步深入,人们对纳米材料毒性的理解已扩展至中枢神经系统(central nervous system,CNS),CNS整合和接收身体各部位的信息并反过来协调和影响身体活动[8]。ZnO NP能与神经系统相互作用,引发神经毒性并介导脑组织损伤[9]。针对ZnO NP的安全评估虽证明了其对大脑的威胁,但其神经毒性作用机制并未得到广泛和系统的认知。因此,本文对ZnO NP的神经侵袭特点和神经毒性机制进行了分析,以期更全面地掌握ZnO NP对CNS造成的危险,为其风险评估和使用监管提供参考。
ZnO NP的生物分布已得到评估,其可进入大脑,到达 CNS[9];在大脑中的分布呈剂量-效应关系。雄性C57BL/6J小鼠分别以每只单次气管灌注ZnO NP 3 μg(低剂量),6 μg(中剂量)和12 μg(高剂量),利用等离子体质谱对收集的大脑皮质组织进行检测。结果发现,大脑皮质Zn水平以剂量依赖性方式上升,暴露后第3天,Zn浓度随ZnO NP灌注浓度的增加,从<600 μg·L-1逐渐上升到700 μg·L-1[9]。也有研究表明,神经系统对Zn2+敏感,ZnO NP转化后可能以Zn2+或其他形式在大脑中产生毒性效应。Zn2+能从ZnO NP中释放,扩散到包括脑在内的各个器官,而剩余的ZnO NP也能继续不断地促进Zn2+在大脑中积累[10]。目前,ZnO NP向CNS转化的主要途径包括血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)途径[11]、感觉神经易位途径[12]和微生物-肠道-大脑轴途径[13]。
金属氧化物纳米材料可能通过被动扩散、抑制外排、受体介导的内吞和吸附转胞吞等4种主要机制增加BBB内侧的金属元素[14]。ZnO NP也可通过BBB进入CNS[15],且其介导的脑部炎症可导致BBB的完整性和通透性改变,导致BBB内侧Zn累积[16]。血中载脂蛋白B和载脂蛋白E可吸附ZnO NP,使其通过受体调节的胞吞方式被内皮细胞摄取,从而穿过BBB[9]。ig给予小鼠的ZnO NP可从肠道吸收至血液循环,通过破坏BBB诱导脑内5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)浓度升高[17]。Amara等[18]的代谢动力学研究结果表明,血中ZnO NP能穿过BBB并转运到大脑,增加皮质和小脑中Zn2+水平。他们同时用雄性Wistar大鼠一次性iv给予ZnO NP混悬液的方法证实,ZnO NP给药后,大鼠血浆和脑内Zn2+浓度均升高。
早期研究报道,在镀Zn钢板焊接过程中吸入微米级ZnO颗粒会导致人大脑功能损伤,这可能与嗅觉神经对ZnO NP的输运有关,目前这一发现得到验证[19]。经鼻接触空气中的ZnO NP和经口食用的ZnO NP均可刺激相关感觉神经,包括嗅觉神经、三叉神经和味觉神经,从而沿神经通路输运至大脑。有研究推测,吸入的ZnO NP可能通过嗅上皮后经三叉神经转移到CNS,也可沿嗅神经轴突直接进入大脑[12,20]。以含相同物质的量的 Zn 的 ZnSO4为对照,4周龄雄性SD大鼠单剂量鼻内滴注ZnO NP 13 mg·kg-1,7 d后,ZnO NP发生溶解和转化,以Zn2+的形式,通过嗅球-大脑转运途径使大脑中的Zn2+浓度增加。X射线吸收精细结构(X-ray absorption fine structure)仪器分析表明,ZnO NP和ZnSO4组大鼠在海马区表现出类似的化学形态和分子效应,表明该生物学效应主要来源于ZnO NP释放的Zn2+[10]。而味觉实验发现,大鼠ZnO NP 50 mg·kg-1连续滴舌30 d后,可被味蕾吸收,通过味觉神经即鼓索神经和舌咽神经转运到大脑。等离子体质谱检测结果表明,Zn在小脑、脑干、大脑皮质和海马区域均有蓄积。海马区透射电镜结果显示,ZnO NP组和ZnSO4组有髓神经纤维均出现空泡样结构[21]。有趣的是,舌滴处理组大鼠大脑的Zn含量显著高于ig处理组[21]。
胃肠道是食品中ZnO NP的主要靶器官,而肠道在各种神经系统疾病的病理进程中扮演着重要角色[22-23]。肠道菌群易受食品添加剂、药物和毒物的影响,通过微生物-肠道-脑轴调节神经功能。一旦肠道发生菌群失调,会刺激肠神经元兴奋,兴奋信号进一步传导至CNS,从而与CNS定向通信[24]。首先,神经元连接通路使肠道损伤扩散至大脑;其次,肠神经系统存在CNS中的5-HT等常见神经递质,肠道损伤易对学习、记忆和运动等神经功能产生影响[25]。数据表明,口服ZnO NP后,肠道神经特异性标志物Hu家族蛋白和Ⅲ型β微管蛋白(Ⅲβ-tubulin,TuJ1)均升高,表明肠内神经元被显著激活。主坐标分析法(principal coordinate analysis)研究表明,ZnO NP通过改变放线菌和双歧杆菌等肠道微生物群落组成诱导微生物-肠道-脑轴紊乱,引起幼小鼠海马代谢物的改变和神经行为障碍[13]。4周龄小鼠连续30 d ig给予ZnO NP 26 mg·kg-1悬液,可引起肠道病理性改变,诱导肠神经元的异常兴奋,激活小鼠肠道内5-HT的生物合成和转运,通过肠-脑通信增加大脑内5-HT的水平[17]。因此,ZnO NP引发的肠道菌群紊乱可通过微生物-肠道-脑轴损害神经系统。
纳米颗粒与其母体颗粒相比,具有不同的理化性质,包括大小、形状、比表面积和表面修饰等[7]。比表面积的增加使得ZnO NP相比于ZnO大颗粒具有高度反应性[26-27]。ZnO NP可能与生物系统中的蛋白质相互作用,形成纳米颗粒-蛋白质冠,或通过静电、疏水或氢键作用相互吸附[26]。因此,等量元素的氧化物纳米颗粒、氧化物本体和相应盐溶液的毒性效应具有明显差异,氧化物纳米颗粒(如ZnO NP)增加了氧化物本体(如ZnO化合物)的生物毒性,且与盐溶液相比,毒性效应更显著[28-30]。例如,无毒剂量的ZnO制成纳米颗粒后,能通过细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)和蛋白激酶 B(protein kinase B,Akt)信号通路诱导小鼠小胶质细胞凋亡[28]。担尼鱼(斑马鱼)胚胎期暴露于ZnO NP 1~100 mg·L-1所导致的异常比溶解的Zn2+严重,且ZnO NP导致了更严重的次级运动神经元轴突异常和背根神经节发育异常,持续多代影响担尼鱼的神经和血管系统发育[29]。星形胶质细胞暴露于ZnO NP时,活性氧(reactive oxygen species,ROS)生成和胱天蛋白酶活性的变化比ZnO本体更显著。对比ZnO NP,ZnCl2和ZnO对星形胶质细胞神经毒性。结果表明,ZnO NP和ZnO本体导致的线粒体损伤较为严重,而ZnCl2未对线粒体膜电位产生明显影响。而在细胞克隆形成实验中,用高浓度(40和80 mg·L-1)作用时,ZnCl2和ZnO NP处理组的细胞总数明显降低,而ZnO本体对细胞增殖作用无明显影响。可确定ZnO NP对细胞的毒性作用更加明显,且这种纳米特异性毒性不依赖于其溶解和离子的释放[30]。
纳米ZnO的毒理学效应与其大小、形状、表面积和分散性等理化性质有关[30]。因此,无论是出于安全使用还是实验性暴露,纳米ZnO的毒性大小都要考虑从物理化学表征的角度来解释。直径50和100 nm的纳米ZnO对多巴胺能(dopaminergic,DA)神经元的毒性大于直径1000 nm的纳米ZnO,这可能由于小尺寸纳米ZnO易穿透BBB或被细胞吸收,也可能由于比表面积和表面原子增加所致[31]。担尼鱼和SH-SY5Y细胞对ZnO NP、短纳米棒(nanorod,NR)和长NR等不同形状和大小的纳米ZnO的反应程度不同。在低浓度范围内,尺寸较小的ZnO NP和短ZnO NR比尺寸较大的长ZnO NR表现出稍高的毒性;而相对高浓度下,长ZnO NR的风险增加,如其与ZnO NP相比能够同等水平地通过ROS诱导帕金森病(Parkinson disease,PD)样症状,包括运动缺陷、DA神经元丢失和α-突触核蛋白的积累,这可能由于在高浓度情况下,小粒径的ZnO NP易团聚所致[32]。对于不同模型,纳米ZnO性状与毒性的关系也未必一致[33]。ZnO NR对人肺上皮细胞的毒性大于ZnO NP,对HepG2细胞的损伤程度也高于ZnO NP[34-35]。相反,ZnO NP对Ana-1细胞的毒性比ZnO NR更大[36]。在3种富营养水体生物中,ZnO NP的LC50值低于ZnO NR[33]。而在海洋双壳类动物体内ZnO NP则具有更强的促凋亡和促炎作用[37]。根据以上研究结果可知,不同理化性质的纳米ZnO的风险比较还取决于不同的生物模型。只有风险评估时考虑其不同的表征特点,才能找到纳米ZnO暴露的真正安全范围。
神经行为障碍包括感觉功能、运动功能和认知功能障碍。啮齿动物行为学研究表明,ZnO NP能诱导神经行为障碍[25]。ZnO NP暴露(ip给予)8周后,通过损害突触可塑性改变了4周龄Wistar大鼠的空间认知能力[38]。连续5dip给予ZnONP300mg·kg-1后,Swiss 小鼠脑内出现 Zn2+积累和焦虑行为[39]。ZnO NP诱导神经行为障碍脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)和Discs大同源物4(recombinant discs,large homolog 4,DLG4)等相关标志物水平发生变化,如4周龄幼小鼠ig给予ZnO NP 26 mg·kg-1,连续30 d,Morris水迷宫和即野外旷场实验实验结果表明,幼小鼠出现了明显的空间学习记忆障碍且运动功能受到抑制,可能与幼小鼠海马组织的特异性神经行为相关基因BDNF和DLG4被上调有关[25]。连续3 d暴露于环境相关剂量(14.6 mg·kg-1)的ZnO NP后,小鼠在物体识别测试中出现认知障碍,该毒性与一氧化氮、硫代巴比妥酸反应物水平升高及乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase,AChE)活性降低有关[40]。
研究表明,在未见神经行为障碍的条件下,ZnO NP对脑组织的损伤已存在[41-42],如ZnO NP导致大鼠脑组织脏器系数下降和病理性结构损伤。在处理组中,舌灌注ZnO NP使大鼠海马组织结构更为稀疏,皮质区和海马区的尼氏体数量减少,核萎缩,表明该区域神经元受损。免疫组化结果显示,皮质和海马胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein)阳性信号增加,胶质细胞从静息态转化为激活态[41]。雄性白化大鼠ig给予ZnO NP 5.6 mg·kg-1后,BBB损坏,小脑神经元变性、排列紊乱,浦肯野细胞和颗粒细胞出现病理性变化,尼氏体丢失,胶质增生。ZnO NP诱导的脑组织损伤与凋亡和炎症相关蛋白水平相关,如脑组织中的凋亡标志物胱天蛋白酶-3蛋白水平在浦肯野细胞和颗粒细胞中显著上调,P53和环氧化酶-2在小脑组织中的表达量显著升高,白细胞介素(interleukin,IL)-1、IL-6和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α的分泌也明显增加。研究表明,这些变化与脑氧化应激有关,且姜黄素可通过抗氧化、抗凋亡和抗炎等作用缓解ZnO NP对小脑皮质的损害[42]。同样,小鼠经气管内给予ZnO NP(每只12 μg)后,HE染色可见,小鼠大脑皮质神经元细胞数量减少,导致细胞形态畸变、细胞核萎缩或断裂,且这些病理变化改变可持续 7 d[9]。
ZnO NP能通过神经递质变化和动作电位的失衡诱导神经传导障碍。多组学分析表明[10],ZnO NP滴鼻后增加大鼠海马中乙酰胆碱(acetylcholine,Ach)的合成、上调Ach转运蛋白,抑制AchE活性,从而增加Ach的释放。ZnO NP抑制AchE活性可能是由于其释放出的Zn2+与AchE二级结构相互作用或通过转录机制下调AchE的活性[10]。髓质神经元释放的谷氨酸是产生呼吸驱动的兴奋性递质,ZnO NP可通过干扰谷氨酸代谢和抑制突触后受体功能影响神经传导。此外,ZnO NP可增加小鼠大脑皮质中5-HT递质释放含量,从而导致小鼠记忆障碍和运动缺失[25]。ZnO NP通过破坏神经传导从而影响正常的呼吸驱动,在新生大鼠体外脑干-脊髓制备物的急性暴露实验中,ZnO NP影响了呼吸节律相关神经元的功能,通过降低动作电位幅度和最大峰值影响生物电特性,从而导致神经网络活动的抑制和呼吸节律的终止。该效应可能与Zn2+调节细胞和神经网络的兴奋性有关[43]。
线粒体是活细胞能量中心,对哺乳动物维持大脑功能至关重要[44]。ZnO NP可通过聚集引起线粒体损伤,也可干扰呼吸链功能,诱导线粒体氧化应激损伤,导致细胞内三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP)耗竭从而改变脑内能量代谢[45-47]。大鼠鼻滴ZnO NP导致糖酵解上调、三羧酸循环和氧化磷酸化下调,脑内ATP水平降低,引起能量供应缺失,最终导致能量耗竭。在体外,ZnO NP可被大鼠C6胶质细胞吸收,并在暴露第3和6 h诱导氧化应激[48]。使用ZnO NP 6.6 mg·L-1作用于小胶质细胞10 h后,细胞内ROS累积增多,线粒体膜电位下降,ATP水平下降到对照组的50%[44]。用ZnO NP 5,20和40 mg·L-1处理星形胶质细胞6 h,ROS水平分别增加29%,38%和49%。另一观点认为,线粒体功能损害后可能会出现一种细胞保护机制——线粒体自噬[49]。在线粒体自噬相关蛋白(PTEN induced putative kinase 1,PINK1)基因敲除的BV-2细胞模型中,ZnO NP 10 μg·mL-1诱导了明显的线粒体损伤,同时PINK1招募parkin从细胞质向线粒体输运,触发线粒体自噬从而保护ZnO NP诱导的细胞毒性[50]。
与神经细胞线粒体损伤不同的是,神经炎症在神经退行性疾病的发展中扮演更重要的角色。如阿尔茨海默病(Alzheimer disease)、PD和肌萎缩性侧索硬化症等[51]。ZnO NP可能通过促炎反应、小胶质细胞激活、ROS积累和神经元丢失而推动神经发育障碍和神经退行性疾病的进程[52]。ZnO NP释放的Zn2+诱导氧化应激和核因子激活的B细胞的κ-轻链增强(nuclear factor-κ-gene binding,NF-κB)促炎信号级联反应可抑制鸡颅神经嵴细胞(cranial neural crest cells)的产生和迁移,限制了颅神经嵴的发育,导致鸡胚胎颅面部缺陷[53]。大鼠ig给予ZnO NP 600 mg·kg-1后,血清TNF-α、IL-1β、IL-6、C-反应蛋白(C-reactive protein)、过氧化氢酶和谷胱甘肽的水平提高,大脑皮质中的促炎因子TNF-α、IL-1β和一氧化氮合酶2(nitric oxide synthase 2)均显著上调[54]。qRT-PCR结果显示,ZnO NP刺激BV2细胞分泌更多TNF-α和IL-1β,且在3和6 h达峰值,该炎症反应受到NF-κB、ERK和P38蛋白激酶(P38 protein kinase,P38)的调控[41]。ZnO颗粒能激活SH-SY5Y细胞中NF-κB信号通路,降低泛素C端水解酶L1(ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase isozyme L1,UCH-L1)的表达。反之,UCH-L1基因过表达可去泛素化内源性抑制剂IκBα,阻滞NF-κB信号通路,减轻神经元损伤[31]。
大鼠连续7 d暴露于ZnO NP(40和100 mg·kg-1),可导致大鼠脑组织细胞凋亡标志物胱天蛋白酶3表达增加,且伴随明显的DNA片段化[55]。用ZnO NP 15 μmol·L-1刺激SH-SY5Y细胞12和24 h后,Akt/胱天蛋白酶3/胱天蛋白酶7通路相关性凋亡损伤明显增加。吖啶橙/溴化乙锭染色实验(AO/EB)和凋亡检测结果表明,ZnO NP可诱导大鼠星形胶质细胞凋亡。ZnO NP能诱导星形胶质细胞凋亡,且胱天蛋白酶3/7活性呈浓度依赖性增加,其中ZnO NP 80 mg·L-1诱导的胱天蛋白酶活性较对照组升高(71.9±3.8)%[56]。
铁死亡(ferroptosis)是铁依赖的新型细胞死亡形式。铁死亡的特征被定义为谷胱甘肽过氧化物酶 4(glutathione peroxidase 4,GPX4)的失活、铁的上调和脂质过氧化物的积累[57-59]。据报道,纳米颗粒通过导致小鼠异种移植肿瘤细胞的铁死亡来抑制肿瘤的生长,这预示了纳米颗粒与铁死亡的关系[60-61]。近期,ZnO NP诱导铁死亡也得到证实[62]。气管内灌注ZnO NP小鼠大脑皮质神经元细胞发生了铁死亡,其中铁死亡调控因子GPX4和溶质载体家族7成员11(solute carrier family 7 member 11,SCL7A11)蛋白表达明显下降;相反,铁死亡诱发蛋白(voltage-dependent anion channels 3)的表达呈现上升趋势。ZnO NP处理的神经元样PC-12细胞出现铁死亡表现,GPX4和SCL7A11蛋白表达水平呈浓度依赖性降低。应激活化蛋白激酶(stressactivated protein kinase,JNK)通路参与调控了ZnO NP诱导的PC-12细胞脂质过氧化和铁死亡,JNK抑制剂SP600125可逆转该过程。特异性铁死亡抑制剂Fer-1能在体内和体外分别抑制ZnO NP诱导的神经元死亡,进一步验证了ZnO NP诱导了铁死亡的发生[9]。
细胞焦亡(pyroptosis)是细胞的一种炎性死亡方式,特征是细胞内外刺激通过激活强烈的炎症反应而导致细胞膜破裂和内容物的释放[62]。ZnO和焦亡之间可能存在潜在关系。ZnO NP 80 mg·L-1可引起BV-2小胶质细胞存活率明显下降,细胞内出现ROS积累和线粒体损伤。但事实上,在细胞死亡过程中,annexin Ⅴ/PI双染法未检测到ZnO NP导致的早期凋亡细胞(annexin Ⅴ+PI-细胞),同时Western印迹法未检测到多聚ADP核酸聚合酶和胱天蛋白酶3剪切体的高表达,而晚期凋亡细胞和坏死细胞(Annexin Ⅴ+PI+)约占(68.2±6.7)%,表明ZnO NP可能诱导了细胞质膜损伤相关的非凋亡模式的细胞死亡,包括坏死和细胞焦亡[63]。神经系统研究虽然无直接证据,但在早期实验中,用ZnO NP 10和20 mg·L-1刺激体外培养的人肺泡Ⅱ型上皮细胞A549,发现染毒组上清液中乳酸脱氢酶和IL-1β释放增加,胞内胱天蛋白酶1蛋白表达也被上调,最终引发了细胞炎性死亡[64]。
神经退行性疾病逐渐成为带来沉重社会负担的重大问题,其中纳米二氧化钛已被证明对PD的发展具有显著风险,可诱导行为缺陷、神经元死亡、多巴胺丢失及路易体聚集[65-66]。近年来,ZnO NP通过诱导Tau蛋白聚集从而促进神经退行性疾病发生的潜在危害也被揭露,如ZnO NP可引发SH-SY5Y细胞Tau蛋白聚集和蛋白水解片段的出现[32]。Chuang等[67]研究表明,ZnO NP在神经退行性疾病中扮演的角色取决于其浓度或性状。低水平ZnO NP具有神经保护作用,抑制蛋白氧化,激活细胞自噬,抑制Tau蛋白聚集。高浓度ZnO NP则导致自噬失活,促进脑内Tau蛋白聚集的形成。他们将7周龄雄性SD大鼠暴露于ZnO NP 10 mg·kg-1后,海马组织中小胶质细胞被激活,小脑和海马中Tau蛋白表达增加。正常情况下,健康大脑中的Tau蛋白积累可被自噬等降解机制清除。然而,高浓度ZnO NP染毒未诱导海马中自噬标志物的显著变化,这与以前ZnO NP介导细胞自噬的结果[67]相反,说明高浓度ZnO NP使大脑中的细胞自噬缺失,因此无法完成对Tau蛋白的降解,进一步促进Tau蛋白堆积。
ZnO NP通过增加脑组织中Zn2+水平诱导神经毒性,主要途径有BBB途径、感觉神经易位途径和微生物-肠-脑轴途径。ZnO NP诱导的神经毒性具有纳米颗粒特殊性,且与其理化性质相关。ZnO NP可导致明显的脑组织损伤,引发动物神经性行为障碍。通过分析ZnO NP神经毒性机制的研究进展发现,ZnO NP靶向CNS,会导致信号传导障碍、氧化应激、神经炎症、细胞凋亡、铁死亡和焦亡,最终促进神经退行性疾病的发生。这些毒性效应可能涉及多种信号转导通路,包括NF-κB通路、MAPK通路、BDNF通路、PINK1通路和胱天蛋白酶3通路。然而,现有研究无法完全掌握ZnO NP在神经系统中的转化过程和存在形式,造成的神经细胞死亡包括细胞焦亡和铁死亡的研究还较少,大多研究集中在神经元上,而对神经胶质细胞的探究还不够。因此,还需进一步阐明ZnO NP诱导神经毒性的相关分子机制。更重要的是,ZnO NP与其他包括脑缺血、脑损伤、亨廷顿病、肌萎缩性侧索硬化在内的神经疾病的关系也需要进一步探讨,如何合理生产、控制用量和加大监管力度从而避免ZnO NP的潜在风险,也将是未来的研究重点。