纳米二氧化钛毒理研究进展

周逸群

（香港理工大学，香港 999077）

纳米二氧化钛颗粒（TiO2NP）是一种新型的无机纳米材料，因其价格低廉、原料丰富，且具有多种优异的物理化学性能，被广泛用于多个领域。现今，对于TiO2NP 的运用主要有两个方向：一是运用TiO2NP的光催化性能，在污水处理、空气净化以及杀菌消毒等环境清洁方面发挥作用；二是作为色素如增白剂或钛白粉常见于食品、化妆品工业[1]。目前TiO2NP 及其相关技术已经渗透进日常生活中的多个领域，包括制药、医学、生物学、农业与工业等。

但是这种新兴的纳米材料并非百利而无一害，TiO2NP 的广泛运用具有两面性，它的广泛运用虽然在一定程度上丰富便利了人们的生活环境，但过度使用该类纳米粒子令其在环境中大量分布，严重威胁着生态环境与生命健康，例如污水处理后的废液在流入江河后进一步扩散，导致在包括人类在内的多种生物体内大量富集。现阶段，人们接触TiO2NP 的主要途径为吸入与皮肤接触，潜在的受影响人群数目众多且难以统计，因此探明各组织器官受TiO2NP 影响后的病理学、毒理学反应是一个亟待解决的问题[2]。本文聚焦于TiO2NP对多个组织器官乃至整个系统的作用效果，分析比较各身体部位的反应异同，希望借此整理归纳出TiO2NP可能的作用机制，并发现可能的预防、治疗方法。

1 TiO2 NP 对各组织器官的影响

多项研究指出TiO2NP 进入人体的方式主要有三种——呼吸道、食管和皮肤渗透。TiO2NP 主要积累的部位在肝脏和肺部，在血液运输的作用下还会对心脏以及神经系统产生影响[3]。

1.1 肝脏

肝脏是TiO2NP 在人体内的主要分布部位之一，毒理性研究发现，给SD 大鼠喂食给予直径约80nm 的TiO2NP 颗粒后，大鼠血液中的多种转氨酶含量大量提高，这是肝炎的表现之一，而解剖观察发现肝脏出现明显纤维化，表明在大鼠体内出现了大量坏死的肝细胞；在加入粒径更小的TiO2NP（25nm）后，则表现为血液中抗氧化酶活性显著提高。而通过注射途径直接令实验对象染毒的毒理性研究发现，肝脏周边血管在接触含TiO2NP 颗粒的溶媒后的较短时间内会有明显的肿胀，其内部原因是线粒体发生损伤，最终会导致该区域细胞凋亡[4]。

比较口服和注射的结果可知，两种途径染毒后的肝脏均表现出炎症，只是症状轻重有差异，表明TiO2NP 颗粒可以透过消化道吸收进入血液，但有大量的粒子会经由消化道排出体外。随后TiO2NP 被运往肝脏，此过程中这些纳米颗粒能够轻易破坏肝细胞且不易被代谢掉，侵染流程据推测为体内的TiO2NP 通过血液循环经过肝脏，在与肝细胞表面受体结合后会引起线粒体空泡变，进而发展成炎症令大量肝细胞凋亡。

1.2肺

肺作为呼吸道的终点，是吸入的TiO2NP 大量聚积的区域。TiO2NP 对于肺部组织器官的影响是多方面、多角度的。在针对哮喘小鼠设计的毒理学、病理学测试中，最直观的表现是气管部分的炎症反应，这些症状会进一步扩散至肺泡部，可以引起肺气肿并破坏肺泡间隔。在细胞层面上，实验结果表明TiO2NP 对嗜酸性粒细胞、中性粒细胞和巨噬细胞等多种免疫细胞都有作用效果。一方面，诱导白细胞向气道部位浸润，损害该部位细胞，引发炎症；另一方面，降低肺泡部位的白细胞的吞噬活性，令病原体无法及时消除进而引发其他病症[5]。

作用机制上，早期研究证明TiO2NP 通过诱导基因进行差异化表达发挥自身毒性。例如，暴露于较低剂量TiO2NP（0.1～0.5mg/只）的小鼠，其肺泡间间隔大面积缺失，上皮细胞大量死亡，这表明在毒性影响下改变的基因可能参与调控细胞周期，加速细胞凋亡[6]。而在支气管等其他部位的上皮细胞，TiO2NP 的靶向结构是细胞内部的膜结构，包括内质网膜和线粒体内膜，诱导内质网应激的同时破坏线粒体相关内膜，导致钙离子失衡，促进细胞的自噬作用；抑制内质网应激作用后TiO2NP 毒性反应减弱，炎症范围减小，这表明对于已经染毒的个体，抑制纳米粒子靶细胞的进一步作用能够很好地抑制粒子毒性的扩散[7]。

1.3 心脏与血液循环系统

血液循环系统与TiO2NP 在机体内的扩散密切相关，是TiO2NP 到达体内各部位的主要途径。此外，对于血液循环的各组分而言，TiO2NP 的毒力作用效果也是显著的。通过喂食途径短时间内给予大鼠一定剂量的TiO2NP，大鼠的心肌细胞有空泡化或携带褪色条纹均匀嗜酸性肌浆出现，而血管处容易出现红细胞外渗，这些都表明细胞在短时间内大量坏死，与肺、肝脏部位的症状类似。此外，血管内堆积的凋亡细胞会严重阻碍血液的正常流通，外在体现就是毛细血管之类的较细段出现阻塞充血[8]。

1.4 神经系统

神经系统的主要组成部位如大脑、脊柱等并不会与血液循环系统或是外界直接接触，因此一般的病原体不具有侵入神经系统细胞的可能性。然而，研究发现，100nm 级别粒径的TiO2NP 静脉注射给予大鼠后，在一段时间后可以在颅腔内被发现，且呈现相互联结的状态沉积在一处——穿透血脑屏障可能是由于纳米粒子本身的微小体积所，联结的状态则是纳米颗粒互相碰撞后吸附在一起的结果。同时，这一结果表明血脑屏障等渗透膜对目前使用的大部分TiO2NP（粒径15～100nm）并无防御能力[9]。

TiO2NP 的神经毒性主要针对脑发挥作用，令海马体受损、小脑病变，表现为学习、记忆等方面的能力衰退，类似阿尔兹海默症[10]，作用机制与其他部位类似——TiO2NP 在神经系统内的积累会加剧诱发氧化应激反应的可能，以单一神经元为例，在受TiO2NP 影响激活氧化应激反应后，细胞内活性氧和脂质过氧化物大量释放，伴随着质膜、核酸等大分子被破坏，该结果会进一步令细胞内蛋白酶系统失活，导致α-突触核蛋白异常聚集，细胞周期遭到阻滞直至凋亡[11]。除了蛋白酶，KRAWCZYNSKA 的团队还发现在侵染的过程中芳香化酶和多种过氧化物酶的基因表达、酶活性受到了抑制，目标包括但不限于脑组织、皮质，单个神经元乃至胚胎的神经细胞[12]。这些被侵染的目标通常表现为细胞存活率降低，酶活性与含量过低而代谢废物大量积累，证明了TiO2NP 破坏酶促反应的稳定性是发挥毒性的重要途径之一。

现阶段对于TiO2NP 的运用、人群接触这些微小粒子的途径集中在较浅的层次，例如：运用在化妆品中通过皮肤吸收；伴随食物以增白剂的形式被摄入；散播在空气中的污染废料在呼吸时入肺。TiO2NP 目前并无直接侵入血液循环系统的可能，在皮肤、胃肠道、肺的过滤下实际进入血液参与循环的TiO2NP 应该是较小的，远低于毒理性研究中直接注入静脉的量。这表明短时间内不太可能有明显的病症显现，体内已经吸收的TiO2NP 很难发挥毒性，预防纳米颗粒的侵入的重要性高于治疗TiO2NP 中毒病症。

2 毒力活性影响因素

2.1 物质形态

物质的形态结构有些时候可以起到决定物质理化性质的作用，这一点在由TiO2NP 构成的系列物质中也有所体现。首先，肉眼可见且体积较大的二氧化钛对生物体没有明显的毒性，甚至不会对代谢作用产生明显影响，而纳米水平的颗粒由于其体积过小，对于生物体内的管壁有明显的吸附作用，例如通过呼吸入肺的TiO2NP 颗粒在SP 大鼠的解剖结果中显示为在支气管末端与肺泡部大量聚集，同时在吸附部位出现了炎症反应。

一般来说，粒径越小穿透性越强，因此更小的TiO2NP 在各组织器官的积蓄量更大，造成的危害性也会更严重。然而，在对于TiO2NP 神经毒性的研究中，透过血脑屏障积累在脑部的纳米颗粒表现出粒径与积蓄量正相关的现象，即在一定尺寸范围内，体积较大的纳米二氧化钛更容易沉积在神经系统。这可能是由于过小的纳米颗粒不易发生碰撞而聚集沉积，更多的是随着血液循环排出体外，而体积较大的TiO2NP 既保留了穿透膜系统的能力，又能较容易地相互碰撞、吸附，最终在特定器官处积累[13]。

此外，纳米二氧化钛的存在形式也会对毒性造成影响。一项针对纳米二氧化钛纤维（TiO2NF）和TiO2NP 的毒性比较研究发现，TiO2NF 有着与青石棉相近的上皮屏障扰动能力，具体表现为改变跨膜电阻值，这是TiO2NP 不曾拥有的能力；另一项区别是纳米材料生物持久性的差异，TiO2NF 有着永久性毁伤单侧上皮细胞的能力，在肺泡部的效果明显，类似碳纳米管的作用效果，而TiO2NP 通常仅能渗透膜结构并造成特定区域的炎症。因此，在同属于纳米级别的二氧化钛中，较长的二氧化钛，如纤维有着比颗粒更强的毒性，这既表明纳米材料相互作用、聚集的能力与毒性有着直接联系，也证明了纳米材料的存在形式可能通过改变物理性质间接影响材料的毒力作用，如毒性和持续时间[14]。

这些实例说明，纳米粒子形式二氧化钛的理化性质和毒性很容易受到分子排列方式、物质体积大小与存在形式的影响。改进使用的纳米级别二氧化钛的排列方式，或许是减轻这类物质毒副作用的重要手段，降低纳米二氧化钛大规模运用带来的风险，最终替代TiO2NP 成为更加安全的纳米二氧化钛材料。

2.2 性别

多项研究表明TiO2NP 的毒性、感染靶向等有着明显的性别异性。性别异性并非是雌雄生殖系统差异带来的，而是两者共有的器官在染毒后表现出的在症状、程度以及持续时间的差异。在相关的研究中，个别靶器官对于TiO2NP 的耐受性有着明显的性别异性，试验结果显示，对体重相近的小鼠给予同剂量的TiO2NP，可以发现雌性个体染毒后肝脏炎症面积更大、反应更剧烈，对于TiO2NP 毒性的敏感性明显更高[15]。这表明TiO2NP 似乎有着明显的性别异性，具体表现为对雌性个体更强的感染力和毒力，这对于临床试验有着一定的指导意义。因此，在对于纳米二氧化钛的运用上，需要额外考虑女性群体的耐受性，针对不同性别群体进行特别说明与差异化调整。

3 结论

TiO2NP 能够影响机体内的多个组织器官，各部位病症相似，均表现为细胞大量凋亡导致的炎症现象。在血液循环系统与TiO2NP 的理化性质双重作用下，TiO2NP 甚至可以侵入中枢神经系统，造成脑功能的衰退。研究结果表明，TiO2NP 的理化性质支持这些细小颗粒轻易透过各类生物膜系统，在细胞内发挥毒性影响内质网转运机制与基因表达，损伤细胞内膜结构例如线粒体的内外膜。然而，现如今对于TiO2NP 具体的损伤机制依然不够明确，研究的方向集中于TiO2NP 引起的氧化应激反应对于酶促反应、基因表达的干预。不过目前人群暴露在TiO2NP 环境的时间是相对较短的，尚有充足的时间用以预防纳米材料侵染。同时，纳米二氧化钛受形态影响与毒力性别异性的新发现为改善这类纳米材料提供了新的思路，这或许预示着纳米二氧化钛在未来有着更广阔的运用情景。