納米尺度物質的生物環(huán)境效應和納米安全性

1、納米尺度物質的生物環(huán)境效應和納米安全性摘 要 納米尺度的物質進入生物、環(huán)境以后，與生命體和環(huán)境的相互作用過程以及所產生的生物環(huán)境效應，是一個新興的、典型的學科交叉領域。本文主要介紹了納米生物環(huán)境效應的科學問題，并結合國內外已有的實驗結果分析了納米尺度物質可能產生的新的生物效應以及對生物環(huán)境健康與安全的潛在影響。本文認為：納米生物環(huán)境效應的研究必須與納米科學技術的發(fā)展同步進行；納米技術有可能成為人類第一個在其可能產生負面效應之前，就已經過認真研究，引起廣泛重視，并最終能安全造福人類的新技術。關鍵詞：納米生物環(huán)境效應 納米安全性 - -Lm一一、前言20世紀微米科學技術的發(fā)展，徹底改變了人類的生活

2、方式，但同時也給我們帶來了嚴重的空氣污染、水源污染、生態(tài)破壞、氣候異常、種種新的疾病等等。早期的“先發(fā)展后治理”的思想，使現在的人類每天都在為此付出沉重的代價。進入21世紀以來，納米科學技術的高速發(fā)展，使人們已經認識到了納米科學技術的優(yōu)點和巨大的潛力。人們期待，納米科學技術能象20世紀的微米科學技術一樣，從根本上改變人類的生活質量。但是，20世紀的教訓也使人們擔心，納米科學技術是否也會對人類產生許多更嚴重的負面效應。納米科學技術的研究領域，主要集中在尺寸從01 100 am之間的物質的組成、性質和特殊功能。在這個尺度上，納米物質會出現些與常規(guī)尺度物質差別很大的特殊物理化學性質。例如，顆粒越小，

3、比表面積越大，表面活性就越大，出現巨大的表面效應、量子效應、界面效應等，它們會導致異常的吸附能力、化學反應能力和光催化性能等等。因此，當這些具有特殊性質的納米結構、納米尺寸的物質進入生命體以后，會出現什么樣的后果，目前這還是一個未知的問題。根據現有的知識，外源性物質的生物效應，與物質本身的物理化學性質直接相關。由于納米物質具有與常規(guī)物質不同的性質，它們與人體直接接觸或直接進入人體以后，是否會導致特殊的生物效應?這些效應對生命過程和人體健康是有益或者有害?x,l-生物體和環(huán)境會帶來什么影響?是否會產生一些新的生物與環(huán)境問題?等等。目前有關這些問題的研究還剛剛開始，并且形成了一個新的交叉前沿科學

4、納米生物環(huán)境效應與納米毒理學。二、問題的起源與國際國內發(fā)展勢態(tài)就在納米科學快速發(fā)展的同時，歐洲和美國的科學家們發(fā)表了一項長期流行病學研究結果。在美國進行的這項長期人群調查結果顯示，人生活周圍空氣中25 m顆粒每增加10 gm ，總死亡率增加7 一13 。專家x,l-已有實驗數據進行詳細分析后發(fā)現：(1)人生活周圍的空氣中，當lOla,m 的顆粒每增加lO01Jgm ，城市居民的死亡率增加6_8 ，當25 m 的顆粒每增加lO01Jgm ，死亡率卻增加了12 一19 ：(2)人生活周圍的空氣中，當lOla,m 的顆粒每增加501Jgm ，城市居民的住院病人增加了3_6 ，當25 m 的顆粒每增加

5、50 gm3，住院病人增加了25 。顆粒物的尺寸變d,X,l-人體健康的影響增大的趨勢，引起了科學家們的高度重視，人們不得不考慮小到納米尺度的物質是否會出現新的生物效應。同時，Science、Nature、ES&T等一系列國際著名學術刊物，也開始討論納米物質的生物環(huán)境效應問題。盡管迄今為止，在臨床或流行病調查中，并沒有發(fā)現納米物質中毒的案例。但是，現有的實驗研究結果顯示，納米物質進入生物體的確會導致新的生物效應，有正面的影響，也有負面影響。事實上，納米生物環(huán)境效應研究，不僅是新出現的科學問題，而且與納米藥物的研發(fā)、生物體納米檢測技術、納米產品的安全性以及納米標準等直接相關，是納米產業(yè)健

6、康可持續(xù)發(fā)展的基礎和保證。由于全球(包括我國)正在推動納米技術的產業(yè)化，不久的將來，獲得國際公認的鑒定和確認各種納米產品生物安全性的分析數據將涉及各個國家的巨大商業(yè)利益。正因為如此，發(fā)達國家迅速組織和開展納米生物效應的研究，而且發(fā)展很快，不到兩年時間，國際上已形成了一個新的前沿領域。2004年12月，歐共體在布魯塞爾公布了European Strategy for Nanotechnology(歐洲納米戰(zhàn)略)和Open Consultation on theEuropean Strategyfor Nanotechnology，把研究納米生物環(huán)境健康效應問題的重要性，列在歐洲納米發(fā)展戰(zhàn)略的第三

7、位(見表1)。同時，歐洲啟動了“Nanosafety Integrating Projects” 計戈。2001年11月，中國科學院高能物理研究所就提出了開展納米生物效應、毒理學與安全性研究的建議。對這個問題的關注在時間上實際上比國外早。2004年11月底，我國組織召開了以“納米尺度物質的生物效應(納米安全性)”為主題的第243次香山科學會議，組織納米科學、毒理學、生物學、醫(yī)學、物理學、化學等領域的專家，對納米生物效應與安全性等問題進行了深入討論。與會專家一致認為，必須盡快加強納米材料生物效應與安全性研究。目前，國內很多研究單位紛紛重視并且已開始從事這方面的研究，如中國科學院高能物理研究所成立

8、了納米生物效應實驗室，其他還有北京大學化學生物學系、北京大學醫(yī)學部、中國科學院武漢分院、中國醫(yī)學科學院、中國科學院化學所、軍事醫(yī)學科學院等。為了適應這個新興領域的多學科交叉的需要，這些研究機構從一開始就建立了多機構合作一協(xié)作研究體系，整合了化學、物理、納米科學、生物學、毒理學、醫(yī)學等領域的實驗技術和優(yōu)勢力量，開展納米生物效應、納米毒理學及納米安全性等前沿科學問題的研究。盡管這些研究起步早，但是由于經費短缺，難以組織較大規(guī)模的系統(tǒng)深人的研究，而且目前課題進度也受到了制約。當一個新的領域出現的時候，及時支持，爭取先機，是獲得原始創(chuàng)新成果的關鍵。三、使納米技術比以往任何技術更安全任何一項新的技術，都

9、會帶有“雙刃劍”的兩面性，這是20世紀科學技術發(fā)展使人類得到的經驗和共識。納米科學技術可能也不例外。白春禮院士在第243次香山科學會議上指出：“任何技術都是有兩面性的，納米技術也可能同樣是把雙刃劍。正確的態(tài)度是吸取20世紀科學技術發(fā)展的經驗和教訓。以科學發(fā)展觀為指導，在發(fā)展納米技術的同時，同步開展其安全性的研究，使納米技術有可能成為第一個在其可能產生負面效應之前就已經過認真研究，引起廣泛重視，并最終能安全造福人類的新技術”。納米物質可能比較容易透過生物膜上的孔隙進人細胞內或如線粒體、內質網、溶酶體、高爾基體和細胞核等細胞器內，并且和生物大分子發(fā)生結合或催化化學反應，使生物大分子和生物膜的正常立

10、體結構產生改變，其結果可能將導致體內一些激素和重要酶系的活性喪失。如：樹枝狀納米物質可能會造成滲透性破壞，甚至導致細胞膜破裂；水溶性富勒烯分子可能會進人大腦，造成黑鱸魚大腦損傷等等。由于超微粒子的比表面積增大，其化學活性增高，可能更易對機體造成損傷。目前國內外一些初步的研究表明，正常無害的微米物質，一旦細分成納米級的超細微粒后，就出現潛在毒性，且顆粒愈小，表面積活性越大，生物反應性愈大。這些事實提示我們，過去宏觀物質的生物環(huán)境安全性評價結果可能不適用于它的納米物質。轉基因技術之所以引起廣泛的爭議，甚至被抵制，關鍵就在于人們對其安全性沒有深人的了解。在發(fā)展轉基因技術的同時，沒有同步開展其對環(huán)境和

11、人體健康的安全性研究。因此，在發(fā)展納米科技的同時，同步進行安全性研究，是至關重要的。最近的研究還發(fā)現，化學修飾對消除和改變納米物質的毒性非常有效，美國Rice大學報道了消除納米材料毒性的第一例研究結果，通過化學修飾使納米顆粒的細胞毒性降低到原來的1千萬分之一。四、納米尺度物質是否具有特殊的生物效應杜邦公司DBWarheit等人在研究單壁納米碳管(SWNTs)的生物效應時，發(fā)現SWNTs對肺部具有較大毒性，在大鼠肺部誘發(fā)多發(fā)性肉芽瘤。美國宇航局太空中心的Lam等人也報道了類似的研究結果。本文作者也研究了一些納米金屬氧化物顆粒及納米金屬顆粒的生物毒性，發(fā)現有的納米顆粒與相應的微米顆粒相比，生物毒性

12、增加較快。在研究一種磁性納米顆粒的動態(tài)生理行為時，我們發(fā)現在生理鹽水溶液中尺寸只有約20 nm 的磁性納米顆粒，在進人動物體內很快就導致凝血現象，凝聚形成小鼠血管直徑大小的顆粒，堵塞小鼠血管。這暗示這種納米顆粒進人人體可能會導致心血管疾病。我們的研究還發(fā)現，隨尺寸變小，納米物質的生物毒性有增大的趨勢。紐約羅切斯特大學的研究者讓大鼠在含有粒徑為20 nm 的聚四氟乙烯(特氟龍)顆粒的空氣中生活15分鐘，大多數實驗大鼠在隨后4小時內死亡；而另一組生活在含120 nm 特氟龍顆粒的空氣中的大鼠，則安然無恙。但是，并非所有的納米物質都如此。實驗發(fā)現，有的納米尺度物質的生物毒性與常規(guī)的微米物質相比，并無

13、明顯差異，如納米ZnO就是其中之一。因此，當我們在討論納米物質生物效應的時候，不能泛泛言之。需要嚴謹的指明具體的物質種類、形態(tài)、尺寸和劑量等參數。因為，實驗發(fā)現，這些參數對納米生物效應的影響很大。這種現象也給納米物質的生物效應與安全性研究工作，帶來了極大的難度。因為，即使同一種物質、同一種形態(tài)、同一個劑量，只要納米尺寸大小改變，它們的生物效應(尤其是生物毒性)就需要重新測試。而測試生物毒性，需要進行大量的動物實驗，工作量很大。目前，大部分的納米材料的急性毒性、亞急性毒性、慢性毒性、以及它們和相應微米物質的差別、對人體健康的影響等，還沒有進行過研究，實驗數據有限。這一方面需要更長時間的積累數據、

14、分析歸納，才能發(fā)現和揭示納米生物效應的一般性規(guī)律，才能建立相應的理論體系；另一方面，也迫切需要建立納米生物效應研究的新的實驗方法學。為了研究納米物質生物效應的機理，我們需要確定納米顆粒在體內的吸收、分布、代謝和清除的生物學通路，各種形態(tài)納米物質與生物器官相互作用的方式，不同米材料可能的靶器官或生物標志物等，才有可能全面地考察其體內作用效應和安全性。美國三角公園大學的Everitt等用氣溶膠吸人法研究了納米TiO：對小鼠、大鼠和豚鼠肺部的毒性，結果發(fā)現它能產生炎癥，這些納米顆粒在肺里嚴重沉積，并且清除困難。美國南衛(wèi)理會大學的Oberdoster發(fā)現，c 能使幼大嘴鱸魚的腦細胞發(fā)生脂質過氧化作用，

15、導致GSH在腮部、肺里明顯減少。北京大學與高能所納米生物效應實驗室合作研究了水溶性單壁納米管在小鼠體內的分布，發(fā)現水溶性多羥基化單壁碳納米管(SWNTols)能非常容易、迅速地分布到小鼠的各種組織和臟器。該研究沒有發(fā)現SWNTols能跨越血腦屏障，但是發(fā)現表觀分子量高達60萬的單壁碳納米管，在生物體內的行為與小分子相似，這種現象，現有的生理學知識還無法解釋。目前，由于受生物體內納米尺度物質定性、定量檢測方法的限制，納米顆粒在體內的吸收、分布、代謝和清除方式等實驗數據還很少。納米物質的細胞生物學效應與分子生物學效應的研究也已經開始。盡管實驗數據同樣很少，但我們的前期研究結果顯示出一個明顯的傾向：

16、納米顆粒容易進入細胞內并與細胞發(fā)生作用。這也許正是納米藥物只所以高效(高生物利用度)的內在本質。但是，各種納米顆粒對細胞分裂、增殖、凋亡等基本生命過程的影響和相關信號轉導通路的調控，以及在細胞水平上產生的生物效應等，目前還不知道。國際上關于納米載體的細胞毒理學研究、納米結構表面與生物分子和細胞作用的研究也已經起步，而且進展的速度非?？?，特別是關于生物材料的納米拓撲結構研究。研究人員發(fā)現，材料的拓撲結構和化學特性是決定細胞與其相互作用的重要因素。某些納米拓撲結構會促進細胞的粘附、鋪展和細胞骨架的形成，但是在某些情況下，納米拓撲結構會對細胞骨架分布和張力纖維的取向產生負面的影響。目前，在分子水平上

17、研究納米物質與生物分子的相互作用及其對生物分子結構和功能的影響也已經開始，但是相關的報道還很少。大氣等環(huán)境中納米顆粒的生物效應研究十分重要。大氣中的納米顆粒一直與人類共存，而且濃度隨時問、區(qū)域而改變。其實人類的許多疾病，可能與生存環(huán)境中的納米顆粒物直接相關，與空氣中的大顆粒物的關系較小。比如，研究發(fā)現尺寸在7 100nm 的顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)內有很高的沉積率，并且尺寸越小，越難以被巨噬細胞清除，且容易向肺組織以外的組織器官轉移。只是在納米科技出現以前，人類忽視了生活環(huán)境中的納米顆粒物對人體健康的影響。納米顆粒物對環(huán)境中的植物、動物、水等的影響，以及具有大表面積、特殊結構和反應活性的納米材料在大氣等環(huán)境中的遷移行為、轉化行為、團聚的方式和速率，環(huán)境納米顆粒的檢測方法和技術等，都十分重要，需要進行深入研究。四、結語在20世紀，由于微米科學技術突飛猛進的發(fā)展，人類走了“先發(fā)展后治理”的道路。這種科學發(fā)展模式給人類的生活和生存環(huán)境帶來了眾多災難和教訓，如生態(tài)破壞、環(huán)境污染、溫室效應，以及不斷增加的種種新的疾病等等。所以，在新世紀我們需要堅持科學發(fā)展觀，在發(fā)展納米科學技術的同時，同步開展其生物環(huán)境安全性的研究。在這方面，國內起步較早，已經有較好的前期積累和成果，得到了國際同行的認可和很好評價，并具有一支高水平的研究隊伍。所以應該抓住良好的機會，從國家層