纳米颗粒——已知和未知的健康风险

人造纳米粒子的范围很广，从已被广泛应用于塑料填料和汽车轮胎的数吨炭黑和气相二氧化硅，到生物成像中用作标记物的微量荧光量子点。随着纳米科学在全球范围内的大规模投资，依赖纳米技术的消费产品将进一步增加。当纳米技术的好处被广泛宣传时，关于其在消费和工业产品中广泛使用的潜在影响的讨论才刚刚开始出现。本综述全面分析了纳米材料对健康影响的现有数据。

世界各地的科学家不断发现日常材料在亚微米尺度下的独特特性[1，2］．这种尺寸的域被称为纳米(十亿分之一)米域。这些只能在纳米尺度上观察到的普通材料的新特性已经找到了它们的第一个商业应用[3.］．例如，纳米材料存在于一些防晒霜、牙膏、卫生洁具涂料甚至食品中。人造纳米粒子的范围很广，从已被广泛应用于塑料填料和汽车轮胎的数吨炭黑和气相二氧化硅，到生物成像中用作标记物的微量荧光量子点。由于纳米科学正在经历全球范围内的大规模投资[4，5]，依赖纳米技术的消费产品将会进一步增加[6］．

当纳米技术的好处被广泛宣传时，关于其在消费和工业产品中广泛使用的潜在影响的讨论才刚刚开始出现[7，8］．两人都是纳米技术的先驱[9]及其反对者[10他们发现很难为自己的观点辩护，因为支持一方或另一方的信息有限。研究表明，纳米材料可以通过几个端口进入人体。在生产或使用过程中的意外或非自愿接触最有可能通过肺部发生，肺部可能通过血流迅速转移到其他重要器官[11］．在细胞水平上，纳米颗粒作为基因载体的能力已被证明[12］．炭黑纳米颗粒与干扰细胞信号传递有关[13］．有一项工作证明了DNA用于碳纳米管的尺寸分离[14］．如果管子的直径合适，DNA链就会包裹住它。虽然它非常适合分离目的，但它引起了人们对碳纳米管进入人体的后果的担忧。

在这篇综述中，我们总结了关于纳米材料危害的已知事实，讨论了纳米颗粒进入人体的潜在切入点，探索了它们在人体内的可能途径，并分析了已发表的纳米材料生物活性的实验结果。

人体的皮肤、肠道和肺总是与环境直接接触。皮肤起着屏障的作用，而肺和肠道也允许各种物质的运输(被动和/或主动)，如水、营养物质或氧气。正因为如此，它们很可能成为纳米材料进入人体的第一个入口。我们在这一领域的知识主要来自药物递送(药学研究)和毒理学(异种生物学)研究。人体皮肤的功能是一个严格的屏障，没有必要的元素通过皮肤被吸收(除了建立维生素D所必需的辐射)，肺部与环境交换氧气和二氧化碳，一些水随着温暖的呼出空气逸出。肠道与口服的所有物质密切接触;所有的营养物质(气体除外)都在身体和环境之间进行交换。

这三个器官的环境接触侧在组织学上有显著差异。成年人的皮肤大约有1.5米长²在大多数地方覆盖着相对较厚的第一屏障(10微米)，这是由强烈角化的死细胞构成的(图1)．离子化合物和水溶性分子很难通过第一道屏障。

肺由两个不同的部分组成，气道(输送空气进出肺部)和肺泡(气体交换区)。人类肺部包含约2300公里的气道和3亿个肺泡(气体交换区)(图2)2)．肺的表面积是140米²成人的话，有网球场那么大。气道是一个相对坚固的屏障，由黏液层保护的活跃上皮细胞。在气体交换区，肺泡壁和毛细血管之间的屏障非常薄。肺泡腔内的空气距离血流只有0.5微米。与气道相比，肺泡的表面积大，空气-血液接触强烈，使肺泡不太容易受到环境损害的保护。

肠道是一个比较复杂的屏障交换面，是大分子进入人体最重要的入口。从胃，只有小分子可以扩散通过上皮细胞。小肠和大肠的上皮细胞与所摄入的物质密切接触，以使营养物质得到利用。由小肠消化产生的双糖、多肽、脂肪酸和单甘油酯的混合物进一步转化并被绒毛吸收3.)．绒毛被微绒毛覆盖，使营养物质的总表面达到200平方米。

3.1吸入和肺部清除不溶性固形物

吸入固体物质的致病作用主要取决于是否有足够的肺负荷[15］．肺负荷由沉积和清除率决定。从逻辑上讲，对于任何灰尘或纤维，当速率达到平衡时，就会达到稳态剂量水平。只有当固体材料不干扰清除机制时，这才成立。就负载量而言，材料本身的化学和物理性质很重要，因为它们影响沉积和清除率。球形固体材料气动直径小于10微米时可吸入。颗粒越小，进入肺部的深度就越深，小于2.5微米的颗粒甚至会到达肺泡。超细颗粒(气动直径小于100 nm的纳米颗粒)主要沉积在肺泡区。纤维被定义为长径比至少为3:1的固体材料。它们进入肺部取决于空气动力学特性。 Fibres with a small diameter will penetrate deeper into the lungs, while very long fibres (>>20 micron) are predominantly stuck in the higher airways [16- - - - - -21］．

粘液纤毛扶梯支配着上呼吸道的间隙;从肺深处(肺泡)的清除主要是巨噬细胞吞噬作用。粘液纤毛扶梯是一种有效的运输系统，它将覆盖气道的粘液与被困的固体物质一起推向口腔。颗粒和纤维的吞噬作用导致巨噬细胞的激活，并诱导释放趋化因子、细胞因子、活性氧和其他介质;这会导致持续的炎症，最终导致纤维化。吞噬效率可受固体材料(物理化学)特性的影响(见下文);此外，太长而不能被吞噬的纤维(长于肺泡巨噬细胞直径的纤维)只会被非常缓慢地清除。

实验室暴露研究表明，如果吸入浓度较低，使吸入颗粒的沉积速率小于肺泡巨噬细胞介导的肺内机械清除率，则滞留半衰期约为70天(连续暴露时的稳态肺负荷)。如果吸入颗粒的沉积速率超过这一清除率，则滞留半程时间显著增加，反映肺泡巨噬细胞介导的清除功能受损或延长，肺负荷持续积累(过载)。吸入纤维在肺泡内持久存在，可与肺上皮细胞相互作用，甚至穿透肺泡壁进入肺组织。这些纤维通常被描述为“间质”，它们可能位于构成肺泡壁的细胞之间或细胞内。生物持久性固体材料，尤其是那些含有致突变物质或石棉纤维或二氧化硅的颗粒，会在肺部存留多年，增加患癌症的风险。

3.2固体纳米材料的沉积和清除

最近有报道称，纳米管显示出毒性的迹象[22Warheit在两份独立出版物中证实了这一说法等［23]和林等［24]，该研究在大鼠和小鼠体内均显示了气管内灌注后单壁碳纳米管的肺效应。两组均有肉芽肿形成和部分间质炎症。Warheit等人的研究小组[23]得出结论，这些发现(多灶性肉芽肿)可能没有生理上的相关性，而可能与大量凝聚纳米管的灌注有关。但是对于[的作者24他们的研究结果表明，如果碳纳米管到达肺部，它们的毒性比炭黑大得多，可能比石英的毒性更大。这些研究必须谨慎阅读，因为国家职业安全与健康研究所(NIOSH)的一项研究表明，空气中存在的纳米管没有或只有一小部分可以被吸入[25］．

从肺部排出的间隙不仅取决于吸入颗粒的总质量，还取决于颗粒大小，由此可见，还取决于颗粒表面，如下面的研究所示。大鼠亚慢性吸入超细(~20 nm)和细(~200 nm)二氧化钛(TiO2)颗粒3个月后发现，与细二氧化钛颗粒相比，超细颗粒的清除速度明显较慢，更多地转移到间质部位和区域淋巴结[26］．通过比较大小和成分相似但比表面积有显著差异的炭黑颗粒(300和37米)²/g)，发现生物效应(炎症、遗传毒性和组织学)依赖于比表面积，而不是颗粒质量。在早期关于吸入颗粒致瘤效应的研究中也报道了类似的结果。研究表明，肿瘤发病率与比表面积的相关性高于与颗粒质量的相关性[27，28］．

比较长期吸入不同大小的TiO2颗粒对健康的影响，低暴露(10 mg/m^3.)研究[29]导致肺癌发病率高于高暴露(250 mg/m^3.)研究[30.］．两项研究中吸入的颗粒都是聚集的初级颗粒，其气动直径可能没有太大区别。低剂量研究的初粒径为20 nm，而后一项研究的初粒径约为300 nm。

综上所述，大多数纳米级球形固体材料都很容易进入肺部，到达肺泡。只要清除机制不受颗粒本身或任何其他原因的影响，这些颗粒可以从肺部清除。纳米颗粒更有可能阻碍清除，从而产生更高的负担，可能会放大这些颗粒引起的任何可能的慢性影响。同样重要的是要注意，特定颗粒表面积可能比总质量更能指示最大耐受暴露水平。吸入的纳米纤维(直径小于100纳米)也可以进入肺泡，此外，它们的清除取决于特定纤维的长度。最近关于碳纳米管对肺部影响的出版物证实了直觉上的担忧，即纳米纤维可以引起相当普遍的非特异性肺部反应。

3.3颗粒表面及生物相容性

关于纳米颗粒的物理和化学表面特性的报告强调了纳米颗粒不同于块状材料。它们的性质很大程度上取决于颗粒的大小。因此，纳米颗粒不仅仅是小晶体，而是一种介于体和分子之间的物质的中间状态。与粒径无关，有两个参数起主导作用。与细胞膜接触的粒子所携带的电荷和粒子的化学反应性[31］．

3.3.1表面电荷

多阳离子大分子在体外与细胞膜有很强的相互作用。Acramin F纺织涂料系统就是一个很好的例子。三种多阳离子涂料成分在不同的细胞培养中表现出相当大的细胞毒性(20-24小时的LD50一般低于100 mg/ml)，如大鼠和人II型肺细胞的原代培养，以及肺泡巨噬细胞和人红细胞。作者认为，多重正电荷在毒性机制中起着重要作用[32，33］．生物相容性研究[34]揭示了deae -右旋糖酐和聚l -赖氨酸(PLL)等多阳离子材料的细胞毒性[35，36]，树状分子[37]及聚乙烯亚胺[38]随着分子量的增加而增加。然而，这些发现仅适用于具有相同化学结构的聚合物，而不适用于不同类型的聚阳离子。因此，为了解释具有不同结构的聚合物的毒性，必须考虑进一步的参数。

Dekie等［39]得出结论，聚l -谷氨酸衍生物上的伯胺基对红细胞有显著的毒性作用，导致它们凝集。除了氨基功能的类型外，由阳离子残基的数量和特殊排列所产生的电荷密度也是影响细胞毒性的重要因素。《突袭(40他认为，三点附着对于引起细胞膜上的生物反应是必要的，并认为当活性胺基之间的空间增加时，聚合物的活性将降低。阳离子电荷的排列取决于大分子的三维结构和灵活性，并决定了它们的电荷在细胞表面的可达性。例如，分支分子被发现比具有线性或球状结构的聚合物更有效地中和细胞表面电荷，因为刚性分子比柔性分子更难附着在膜上[41］．因此，高阳离子电荷密度和高柔性聚合物比低阳离子电荷密度的聚合物具有更高的细胞毒作用。球状聚阳离子大分子(阳离子化人血清白蛋白(cHSA)，乙二胺核心聚(氨基胺)树枝状大分子(PAMAM)被发现具有良好的生物相容性(低细胞毒性)，而具有更线性或分枝性和柔性结构的聚合物(如聚二烯丙基二甲氯化铵(DADMAC)， PLL, PEI)显示出更高的细胞损伤作用。

3.3.2表面活性剂相互作用及表面化学

盖斯等［42]研究了颗粒表面化学成分对其与肺表面衬里层相互作用的影响。他们发现，无论其表面的性质如何，颗粒在小气道和肺泡中沉积后，都会淹没到衬里层中。这种位移是由表面活性剂薄膜本身促进的，其表面张力暂时下降到相对较低的值[42，43］．另一方面，粒子表面的反应基团肯定会改变生物效应。对于二氧化硅，石英的表面改性影响其细胞毒性，炎性和纤维性。这些差异主要是由于粒子的表面特征[44］．二氧化硅的特异性细胞毒性与表面自由基和活性氧(ROS)的出现密切相关，这被认为是该化合物发生纤维化和肺癌的关键事件[45］．

虽然颗粒的类型似乎对其是否嵌入肺泡表面活性剂衬里起不了重要作用，但嵌入过程本身是至关重要的。颗粒-细胞相互作用只有在颗粒浸入衬里液后才可能发生，需要进行研究以详细研究与吸入纳米颗粒有关的这一现象。逻辑上，正如二氧化硅报告中所描述的那样[45]，纳米颗粒上的活性基团会影响它们与肺(或更普遍的与生物材料)的相互作用。在某些情况下，可以预测纳米表面的反应性。然而，考虑到数据的稀缺性，通过一些实验室测试来验证这些预测是明智的。

3.4吸入颗粒物的全身易位

吸入颗粒物对其他器官的影响直到最近才被认识到。大多数研究集中在与颗粒相关的心血管系统功能障碍的可能后果，如心律失常、凝血[46)等。然而，最近的数据支持这一概念，即自主神经系统也可能是吸入颗粒物不良反应的目标[47，48，11］．两种相互补充的假说解释了吸入超细颗粒后的心血管功能障碍。第一种假设解释了肺部发生强烈(且持续)的肺部炎症反应所观察到的影响，导致介质的释放(见上文)，这可能影响心脏、凝血或其他心血管终点。第二种假设是，颗粒从肺部转移到体循环，从而直接或间接地影响止血或心血管完整性。

在评估吸入纳米颗粒对健康的影响时，其体循环转运是一个重要的问题。Conhaim和同事们[49]发现肺上皮屏障最适合用三孔模型拟合，包括少量(2%)大孔(孔隙半径400 nm)、中等数量(30%)中等孔(孔隙半径40 nm)和大量(68%)小孔(孔隙半径1.3 nm)。然而，该结构的确切解剖位置仍有待确定(见Hermans和Bernard的综述[50])。直到最近，异种生物颗粒可能通过的问题还没有引起太多的关注，尽管这一概念现在已在药理学上获得认可，用于吸入大分子药物[51］．Nemmar等［11]研究了吸入超细锝的粒子迁移(^99米Tc)标记的碳颗粒到血液。这些颗粒与实际污染物颗粒的超细部分非常相似，在5分钟内迅速扩散进入体循环(图2)4)．作者得出结论，巨噬细胞的吞噬作用和/或上皮细胞和内皮细胞的内吞作用是颗粒转位到血液的原因，但也必须存在其他根源。

关于极小颗粒从肺部转移到血液循环的文献有限，而且经常相互矛盾。最近的一项研究报告了超细颗粒(60纳米)超过2小时的沉积和清除^99米Tc标记气溶胶在人类志愿者。在肝脏中未发现明显的放射性(吸入放射性的1 - 2%)，但不幸的是，没有报告血液中的放射性测量[52］．与Nemmar等人的研究结果一致[11，川上等人。[53已经报告了人类志愿者吸入99mtc -技术气体后立即在血液中存在放射性。它也被称为[54尽管这种易位的途径尚不清楚，但雾化胰岛素能产生快速的治疗效果。除了人体研究，在实验动物研究中，我们[11]及其他[55，16，56，57]报道了气管内灌注或吸入后超微颗粒的肺外易位。然而，在这些研究中，转移到血液和肺外器官的超细颗粒的数量有所不同。研究还表明，经鼻内给药后，聚苯乙烯微粒(1.1微米)可转移到全身隔室的组织中[58］．最近一项研究[59]首次提供了形态数据，表明吸入聚苯乙烯颗粒被输送到肺毛细血管空间，可能是通过反细胞作用。另一条由肺部向其他器官转移的途径是Oberdörster等［19］．在使用13c标记颗粒的大鼠吸入实验中，他们发现暴露24小时后，纳米颗粒(25纳米)存在于几个器官中。最非凡的发现是在中枢神经系统(CNS)中发现了粒子。作者进一步研究了这一现象，发现粒子在被神经细胞吸收后，可以通过神经(在本实验中通过嗅觉神经)以每小时2.5毫米的速度运输[56］．

固体物质从肺上皮进入循环似乎仅限于纳米颗粒。颗粒转运的问题还有待明确:包括肺泡内的跨上皮转运和神经细胞转运。因此，应研究影响粒子易位的因素，如暴露方式、剂量、大小、表面化学和时间过程。例如，了解肺部炎症如何以及在多大程度上调节肺外颗粒的转运也是非常重要的。

3.5纤维的生物持久性

长而不可吞噬的纤维(在人体中长于20微米)将不能有效地从呼吸道清除。纤维生物持久性的主要决定因素是物种特异性生理清除和纤维特异性生物持久性(物理-化学过程)。在肺泡中，纤维被物理清除的速率取决于肺泡巨噬细胞吞噬它们的能力。含有比自身直径更长的纤维的巨噬细胞可能无法移动，也无法清除肺部的纤维。纤维的生物耐久性既取决于纤维的溶解和浸出，也取决于纤维的机械断裂和劈裂。肺中的长纤维可以分解，导致短纤维可以被巨噬细胞去除。生物持久性类型的石棉，其断裂是纵向发生的，导致相同长度但直径更小的纤维更多。非晶纤维垂直于它们的长轴[60，61]，从而产生可以被巨噬细胞吞噬的纤维。

不言而喻，纤维清除得越慢(生物持久性越高)，组织负担就越重，纤维在组织中停留的时间越长，发生不良反应的可能性就越高。斯坦顿等人树立了一个里程碑[62，63他用17个精心大小的纤维玻璃样品进行了一系列实验。他们发现，对于大鼠间皮瘤诱导，在长度大于8微米，直径小于1.3微米的纤维中活性峰值。这些发现被称为“斯坦顿假说”。然而，这些结果并不能严格表明所有长于较低阈值的纤维都具有同样的活性，或较短的纤维则不是，尽管长度小于5微米的纤维似乎不会增加暴露在辐射下的大鼠患肺癌的风险[64］．风险似乎随着长度的增加而增加，长度超过40微米的纤维风险最高。最近的综述见Schins [65］．

直径小于100纳米的纤维的生物耐久性可能与较大的可吸入纤维没有区别。因此，在与纳米纤维接触的情况下，必须非常谨慎。在释放任何含有纳米纤维的产品之前，必须进行生物耐久性测试。碳纳米管具有很高的技术价值，是需要深入测试生物持久性和癌症风险的材料之一。第一批毒理学研究表明，碳纳米管可能对人类健康构成威胁[22- - - - - -24]，但接触评估显示，这些物质可能不会吸入[25］．

早在1926年熊谷实就已经承认了这一点。66颗粒可以通过含有m细胞(特化吞噬肠细胞)的肠淋巴组织(Peyer’s patches (PP))的聚集物从肠道腔内转移。颗粒的摄取不仅通过PP中的m细胞和肠道相关淋巴组织的分离滤泡发生，而且还通过正常的肠道肠上皮细胞发生。关于颗粒的肠道摄取这一主题已经有许多优秀的综述[51，66］．惰性颗粒的摄取已被证明通过正常肠细胞和PP通过m细胞进行跨细胞摄取，并在较小程度上通过细胞旁途径[67］．最初，人们认为PP在吸收颗粒的类型和大小上没有强烈的区别。后来有研究表明，修正后的特征，如颗粒大小[68]粒子的表面电荷[69]，配体的附着[70，71]或涂覆表面活性剂[72]，提供了针对胃肠道(GIT)不同区域的位点特异性靶向的可能性，包括PP [73］．

颗粒在肠道内易位的动力学取决于通过粘液的扩散和可及性，与肠上皮细胞或m细胞的初始接触，细胞运输和易位后事件。带电粒子，例如羧基化聚苯乙烯纳米粒子[69]或由正电荷聚合物组成的药物通过静电排斥和粘液滞留表现出较差的口服生物利用度。Szentkuti [74]确定了颗粒通过黏液层扩散到肠上皮细胞表面的速率，与颗粒的大小和表面电荷有关。简言之，Szentkuti [74]观察到阳离子纳米乳胶颗粒被困在带负电荷的粘液中，而排斥的羧基化荧光乳胶纳米颗粒能够扩散穿过这一层。颗粒直径越小，它们排列粘液到达结肠肠上皮的速度就越快;14 nm颗粒在2 min内渗透，415 nm颗粒在30 min内渗透，而1000 nm颗粒无法迁移该屏障。在实验时间内(30分钟)，没有一个颗粒被肠上皮细胞内吞，尽管乳胶纳米颗粒比粘液更倾向于与细胞表面结合。在较长的时间窗口(口服灌胃数天)后，与相同大小范围内不带电的乳胶纳米颗粒相比，在固有层(上皮下的结缔组织)中发现了少量带电颗粒的积聚[69］．

微粒一旦进入粘膜下组织，就能进入淋巴管和毛细血管。进入淋巴的颗粒可能对诱导分泌性免疫反应很重要，而进入毛细血管的颗粒则成为全身的，可以到达不同的器官。在一项研究中[75]，对聚苯乙烯颗粒易位后的体分布进行了较为详细的研究。将聚苯乙烯球(50 nm ~ 3微米)以1.25 mg/kg的剂量灌给雌性sd大鼠，连续10天。50 nm和100 nm的颗粒分别被吸收34%和26%。血液中不存在大于300nm的分子。在心脏或肺组织中未检测到颗粒。

4.1肠道易位与疾病

克罗恩病的特点是胃肠道的透壁炎症。病因不明，但提示遗传易感性和环境因素的组合发挥作用。颗粒(0.1-1.0微米)与疾病相关，并在模型抗原介导的免疫应答中作为有效的佐剂。在一项双盲随机研究中，已经表明低颗粒饮食(低钙和外源性微粒)可以缓解克罗恩病的症状[76］．虽然颗粒暴露和摄取与克罗恩病之间有明确的联系，但很少有人知道肠上皮中吞噬细胞的确切作用。提示肠细胞凋亡破坏上皮屏障功能可能是黏膜炎症的触发机制。M细胞的病理生理作用尚不清楚;例:已发现克罗恩病中M细胞从上皮细胞中丢失。其他研究发现，在不同的免疫条件下，M细胞的物质摄取(内吞糖)能力被诱导，例如，与未溃疡组织相比，大鼠炎症结肠黏膜中摄取的颗粒(0.1微米、1微米和10微米直径)更多[77，78]及食道发炎[79］．

肠道以外的疾病对GIT转运颗粒的能力也有显著影响。与正常大鼠相比，实验诱导糖尿病大鼠对PP中2微米聚苯乙烯颗粒的吸收增加了100倍(给药剂量的10%)[80］．然而，糖尿病大鼠显示出30%的颗粒系统分布减少。对这种差异的一种可能解释是糖尿病大鼠胃肠道粘膜基底层的密度增加，这可能阻碍颗粒转位到更深的绒毛区域。在地塞米松治疗的大鼠中也观察到增强的肠道吸收和减少的全身播散之间的耦合[81］．

从上面引用的文献可以清楚地看出，经过工程改造的纳米颗粒可以通过肠道吸收。一般来说，肠道对颗粒的吸收比肺部和皮肤吸收更容易理解和研究。由于这一优势，也许可以预测肠道中某些颗粒的行为，但应采取预防措施。对于那些设计用于稳定食物或通过肠道摄取传递药物的纳米颗粒，存在其他更严格的规则，在销售这些化合物之前应该遵守这些规则。

皮肤是一个重要的屏障，保护免受环境的侮辱。皮肤由三层构成:表皮层、真皮层和皮下层。表皮的外层，角质层(SC)，覆盖了整个身体的外部，只包含死细胞，这些细胞强烈角化。对于大多数化学品，SC是经皮吸收(渗透)的限速屏障。大多数哺乳动物的皮肤，在身体的大部分部位，都覆盖着毛发。在毛囊生长的部位，皮肤的屏障能力与“正常”的分层鳞状表皮略有不同。大多数关于材料穿透皮肤的研究都集中在使用含有化学物质和/或颗粒材料的不同配方作为载体的药物是否穿透皮肤。常用的颗粒材料主要类型有:脂质体;固体难溶性材料，如二氧化钛和聚合物颗粒以及亚微米乳液颗粒，如固体脂质纳米颗粒。这些微粒载体的穿透还没有得到详细的研究。

二氧化钛颗粒通常用于防晒霜中吸收紫外线，从而保护皮肤免受晒伤或遗传损伤。Lademann报道过等在[82微米大小的二氧化钛颗粒穿过人体角质层，甚至进入一些毛囊——包括它们的深层部分。然而，作者并没有将这一观察结果解释为渗透到活的皮肤层，因为滤泡通道的这部分(肩顶漏斗)也被角质层屏障覆盖[82］．Kreilgaard在最近的一篇评论中提出了不同的解释[83)，他认为“非常小的二氧化钛颗粒(例如5 - 20nm)可以穿透皮肤，并与免疫系统相互作用”。丁珂等人[84]证明了0.5微米和1.0微米的颗粒，结合运动，穿透人体皮肤角质层，到达表皮，偶尔也到达真皮层。作者假设，角质层细胞内的脂质层形成了一种途径，通过这种途径颗粒可以移动。85]进入皮肤，并被朗格汉斯细胞吞噬。在本研究中，粒子的穿透限制在粒子直径为1微米或更小。然而，其他研究报告了使用直径为3-8微米的颗粒穿透皮肤[86，87，82]但只发现有限的渗透，通常集中在毛囊(见上文)。

研究了可降解聚(D, l -乳酸-共乙醇酸(PLGA)微粒子(1 ~ 10微米，平均直径4.61±0.8微米)等非金属固体材料在猪皮上应用后的穿透性。皮肤中的微粒数量随着深度的增加而减少(从空气侧到皮下层的测量)。在120微米深度(存活的真皮层存在的地方)发现了相对较多的颗粒，在400微米(真皮层)仍然可以看到一些微粒。在500微米的深度没有发现任何微粒[88］．在小腿淋巴引流受损的个体皮肤中，在一名地方性象皮病患者的足真皮层中发现了土壤微粒，通常为0.4-0.5微米，但更大的颗粒直径为25微米。颗粒可见于巨噬细胞的吞噬体或其他细胞的细胞质中。淋巴液无法传导至淋巴结，在真皮组织中产生永久的二氧化硅沉积(与尘肺病肺中类似的沉积相似)。这表明土壤颗粒可以穿透(受损的)皮肤，很可能是每个人的皮肤，通常通过淋巴系统被去除[89，90］．脂质体穿透皮肤的方式与大小有关。微微米甚至亚微米大小的脂质体不容易渗透到活表皮，而平均直径为272 nm的脂质体可以进入活表皮，一些脂质体在真皮层中发现。在真皮层中发现了较高浓度的116和71 nm的小尺寸脂质体。

Emzaloid™颗粒是一种亚微米乳液颗粒，如脂质体和非离子表面活性剂囊泡(niosomes)，直径为50 nm至1微米，应用于人体皮肤后，在表皮与细胞膜结合[91］．作者认为，组成颗粒的单个分子可以穿透细胞间隙，在角质层的某些区域，能够积累并转变为微球。在随后的实验中，所使用的配方允许球渗透到黑素瘤细胞，甚至渗透到细胞核[92］．

Hostynek最近的一篇综述[93]指出，金属通过皮肤的吸收是复杂的，因为有外源性因素(如剂量、载体、蛋白质反应性、价态)和内源性因素(如皮肤年龄、解剖部位、稳态控制)。试图定义皮肤穿透规则，为金属元素提供预测性的定量结构-扩散关系，以用于风险评估的尝试并不成功，并且仍然需要通过体外或体内试验分别确定每种金属的皮肤穿透。

关于纳米颗粒穿透皮肤的文献有限，但已经可以得出一些结论。首先，皮肤屏障的穿透取决于大小，纳米颗粒比大颗粒更有可能深入皮肤。其次，在皮肤的深层发现了不同类型的粒子，目前还不可能预测粒子在皮肤中的行为。最后，可以从颗粒中溶解或浸出的材料(如金属)，或分解成更小的部分(如Emzaloid™颗粒)，可能会穿透皮肤。我们没有发现穿透皮肤的颗粒也进入体循环的任何直接迹象。观察到皮肤中的颗粒可以被巨噬细胞、朗格汉斯细胞或其他细胞吞噬，这可能是皮肤致敏的一条途径。叮当声等［84]的研究表明，对C3H小鼠局部应用铍可产生铍特异性敏化。这些数据与半抗原特异性细胞介导免疫反应的发展是一致的。

5.1皮肤机械性刺激

玻璃纤维和岩棉纤维是广泛分布的人造矿物纤维，因为它们的多种用途，主要是作为绝缘材料，已成为取代石棉纤维的重要材料。这些纤维与皮肤接触时，可通过机械刺激诱发皮炎。为什么这些纤维是如此强烈的刺激物还没有被详细研究过。在人体遮挡刺激贴片试验中，发现直径为4.20±1.96微米的岩棉纤维比平均直径为3.20±1.50微米的岩棉纤维更具刺激性。“小”纤维会引起强烈的皮肤刺激，这一事实早已为人所知，例如瘙痒粉。人们也普遍认为，某些类型的人造纤维很容易引起非过敏性皮炎。虽然这是常识，但尚不清楚是什么使这些纤维具有刺激性。在寻找直径小于100纳米的纤维引起皮肤刺激的报告时，没有找到任何信息，这表明需要进行更多的研究。

粒子的体分布强烈地依赖于它们的表面特征。例如，用不同类型和浓度的表面活性剂涂覆聚(甲基丙烯酸甲酯)纳米颗粒可显著改变其体分布[116］．在静脉注射后30分钟，用≥0.1%的poloxamine 908包裹这些纳米颗粒可显著降低其肝脏浓度(从总给药颗粒量的75%至13%)。另一种表面活性剂，聚山梨酯80，在0.5%以上有效。另一份报告[94]表明，用阳离子化合物二十二烷基二甲溴化铵(DMAB)修饰纳米颗粒表面，可促进7 - 10倍的动脉摄取。作者指出，DMAB表面修饰纳米颗粒的zeta电位为+22.1 +/- 3.2 mV(平均+/- sem, n = 5)，与原始纳米颗粒的zeta电位为-27.8 +/- 0.5 mV(平均+/- sem, n = 5)有显著差异。改变生物行为的机制尚不清楚，但表面修饰在动脉内给药方面具有潜在应用价值。

在雌性Sprague Dawley大鼠中口服(灌胃)不同大小的聚苯乙烯球(50纳米至3微米)(以1.25 mg/kg/天的剂量持续10天)可导致纳米颗粒的全身分布。约7% (50 nm)和4% (100 nm)在肝脏、脾脏、血液和骨髓中发现。大于100纳米的颗粒没有到达骨髓，大于300纳米的颗粒没有进入血液。在心脏或肺组织中未检测到颗粒[75］．

不论吸收路线如何，颗粒的体分布主要取决于颗粒的表面特征和大小。这是药物设计中的一个重要问题，以帮助将药物输送到正确的目标。在对纳米颗粒的无意摄取中，这些特征会强烈影响特定类型颗粒在特定身体部位的积累。

6.1纳米颗粒、血栓和肺部炎症

流行病学研究报告显示，颗粒物空气污染与心肌梗死等心血管不良反应密切相关[95］．后者由冠状动脉中动脉粥样硬化斑块破裂引起，随后由高活性的内皮下结构暴露于循环血液引起的血栓快速生长，从而导致血管的额外或完全阻塞。Nemmar等［96]研究了颗粒对止血的可能影响，将血栓形成作为相关终点。直径60纳米的聚苯乙烯颗粒(表面修饰:中性、负电荷或正电荷)通过静脉注射对止血有直接影响。带正电的胺颗粒导致血小板活化导致血栓形成倾向显著增加。在气管内注射这些带正电的聚苯乙烯颗粒后，也可以获得类似的效果，这也会导致肺部炎症[97］．重要的是，肺内灌注较大的阳性颗粒(400 nm)引起了明确的肺部炎症(强度与60 nm颗粒相似)，但它们在暴露的第一个小时内没有导致外周血栓形成。大颗粒对血栓形成没有影响，尽管它们对肺部炎症有显著的作用，这表明肺部炎症本身不足以影响外周血栓形成。因此，对较小的超微颗粒的影响很可能是由于，至少部分是由于它们从肺进入血液的系统性易位。

污染物颗粒，如柴油废气颗粒(DEP)，在肺部沉积后一小时内可引起明显的肺部炎症。此外，经气管内灌注DEP促进股静脉和动脉血栓形成的剂量依赖方式，已经开始剂量为5 μg /只仓鼠(appr。50μg /公斤)。随后的实验表明，前血栓作用在灌注(50 μg/只)后6 h和24 h持续存在，并证实外周血栓形成和肺部炎症并不总是相关的[97］．吸入固体颗粒对患有心血管疾病的人有风险。实验数据表明，吸入的许多颗粒可以通过肺部炎症影响心血管参数。纳米颗粒在循环中通过后，也可以在例如血栓形成中发挥直接作用。

流行病学研究提供了关于社区颗粒物空气污染对健康的不良影响的宝贵信息，表明纳米颗粒是心肺死亡的重要环境风险因素。颗粒物引起的肺部和全身炎症、动脉粥样硬化加速和心脏自主功能改变可能是病理-生理途径的一部分，将颗粒物空气污染与心血管死亡联系起来。此外，已有研究表明，沉积在肺泡中的颗粒导致肺泡巨噬细胞和上皮细胞产生细胞因子的激活，并招募炎症细胞。在随机选择的健康成年人样本中，观察到与颗粒物空气污染有关的血浆粘度、纤维蛋白原和c反应蛋白增加[95，98，99］．

6.2纳米颗粒与细胞摄取

许多关于细胞摄取微纳米颗粒的报道已经发表。内皮细胞摄取颗粒的报告[One hundred.，101]、肺上皮[102，79，103，59]、肠上皮[51，79]肺泡巨噬细胞[104- - - - - -107，57]，其他巨噬细胞[89，108，76，109]、神经细胞[110]和其他细胞[111]都是可用的。这是吞噬细胞(巨噬细胞)和作为屏障和/或运输(大型)化合物的细胞的预期现象。除巨噬细胞外，细胞摄取纳米颗粒对健康的影响尚未得到深入研究。

6.3纳米颗粒和血脑屏障

纳米技术的一个有前途的领域是由纳米颗粒介导的器官或细胞特异性药物递送[112- - - - - -114］．预计纳米颗粒通过血脑屏障(BBB)的运输可能是被动扩散或通过载体介导的内吞作用。用聚山梨酸酯(例如聚山梨酸酯-80)包裹颗粒会导致载脂蛋白E (apo E)或其他血液成分的锚定。表面修饰的颗粒似乎模拟LDL颗粒，并可与LDL受体相互作用，导致内皮细胞摄取。此后，药物(装载在颗粒中)可能在这些细胞中释放并扩散到大脑内部，或者颗粒可能被转细胞化。

此外，其他过程，如紧密连接调制或p -糖蛋白(Pgp)抑制也可能发生[115］．Oberdörster等人2002年报道了吸入的纳米颗粒通过嗅觉神经的易位[56］．穿过血脑屏障的药物输送系统当然是受欢迎的，但这也意味着无意中通过血脑屏障是可能的;因此，良好的安全评估是必要的。

6.4.纳米颗粒与氧化应激

研究表明，进入肝脏的纳米颗粒可以在局部诱导氧化应激。一个人(一天;20和100 mg/kg)和重复(14天)静脉注射聚氰基丙烯酸异丁酯(PIBCA，一种可生物降解颗粒)或聚苯乙烯(PS，不可生物降解)纳米颗粒可诱导肝脏中还原性谷胱甘肽(GSH)和氧化性谷胱甘肽(GSSG)水平的耗尽，以及超氧化物歧化酶(SOD)活性的抑制和过氧化氢酶活性的轻微增加。纳米颗粒未分布在肝细胞中，提示氧化物质很可能是由活化的肝巨噬细胞在纳米颗粒吞噬后产生的。

肝脏中的Kupffer细胞摄取聚合纳米颗粒可诱导肝细胞抗氧化系统的改变，这可能是由于自由基氧的产生[108］．我们在前面讨论过，肺中的纳米颗粒可以通过肺部炎症反应以及自发的表面相关反应诱导氧化应激。除了肺部的研究，很少有研究颗粒诱导的组织氧化应激。然而，作者[108]报道称，谷胱甘肽的消耗不足以引发显著的肝细胞损伤(没有脂质过氧化)。需要强调的是，需要长期研究来证明这些纳米颗粒的安全使用，因为抗氧化防御的慢性消耗会导致严重的健康问题。

尽管在肺部和肠道中与纳米材料的接触显示出许多相似之处，但从毒理学的角度来看，吸入和摄入纳米材料之间存在重要的区别。在肠道中存在一种复杂的化合物混合物，如分泌的酶、摄入的食物、肠道菌群中的细菌等，它们可以与摄入的纳米材料相互作用。非特异性相互作用通常会降低所摄入物质的毒性。有人说过在体外颗粒在蛋白质含量高的培养基中，细胞毒性较低。在肺中，粘液或表面活性剂存在，其中存在抗氧化剂，但当吸入大量氧化化合物时，这些很容易被中和。

纳米材料在肠道内的转运是一个相对较快的过程，上皮细胞的不断衰变和更新保证了纳米材料不会在肠道内停留太久。肠腔内固体物质的存在不会自动引起炎症反应。小于10微米和>微米的吸入物质不会进入肺的肺泡间隙，因此这些物质在健康人体内很容易通过粘液-纤毛扶梯被清除。小于5微米的颗粒通过布朗运动沉积在牙槽间隙。在肺泡中，水不溶性物质只能通过巨噬细胞或其他细胞的吞噬作用去除，或通过上皮细胞运输到间质或体循环。这些过程通常伴有(持续性)炎症的发生。颗粒本身——取决于材料的物理化学特性——可以在肺泡中停留很长一段时间。

在肠道中，摄入的物质从酸性(胃)到碱性条件受到压力。pH值的变化通过改变表面特性显著改变了材料的溶解度和离子状态。在肺中，管腔的环境更加稳定。

纳米大小的颗粒当然可以通过肺部和肠道进入人体;穿透皮肤不太明显。有些粒子可能会深入到真皮层。穿透的几率取决于颗粒的大小和表面性质，也取决于肺、肠或皮肤中的接触点。穿透后，颗粒在体内的分布是颗粒表面特性的强函数。可能存在一个临界尺寸，超过这个尺寸，纳米颗粒在身体部分的运动就会受到限制。需要对不同类型纳米颗粒的药物动力学行为进行详细调查，并应建立与不同纳米颗粒(例如靶器官、组织或细胞)相关的健康风险数据库。在考虑纳米材料对健康的影响的同时，还应考虑纳米管中存在的污染物(如金属催化剂)及其在所观察到的健康影响中的作用。

心肺疾病风险的增加要求对每一个新生产的纳米颗粒采取特定的措施。没有一种通用的“纳米颗粒”适用于所有情况，当预期存在健康风险时，应单独对待每种纳米材料。目前用于测试材料安全性的测试应适用于识别有害纳米颗粒。如果事实证明并非如此，那么在不降低风险评估的效率和可靠性的情况下，构建一套高通量和低成本的纳米颗粒测试将是工业界、立法者和风险评估人员面临的挑战。设计用于药物输送或作为食物成分的纳米颗粒需要特别注意。

这项工作得到了由欧洲共同体在“竞争性和可持续增长”计划下资助的NANOSAFE(纳米颗粒生产和使用风险评估及预防措施和实践规范的制定)项目的支持，合同为G1MA-CT-2002-00020。报告全文见http://imperia5.vdi-online.de/imperia/md/content/tz/zuknftigetechnologien/11.pdf

作者及隶属关系

1. 鲁汶Katholieke大学，空气学，长毒理学，GHB校区，赫雷斯特49，鲁汶，B-3000，比利时

   Peter HM Hoet

2. GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit, GmbH Ingolstädter Landstraß1, D-85764, Neuherberg, Germany

   艾琳Bruske-Hohlfeld

3. 威廉·邓恩爵士病理学学院，牛津大学，南公园路，牛津，OX1 3RE，英国

   奥列格V萨拉塔

相应的作者

对应到奥列格V萨拉塔．

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