谷戰軍課題組

課題組發表《Advanced Science》綜述:納米材料對眼睛的安全性評估不容忽視

2019-07-12 14:22來源:X-MOL資訊,高分子科學前沿微信公眾號瀏覽數:642 


注:本新聞綜合整理自

2?019-07-07 高分子科學前沿微信公眾號文章?:納米粒子飛入眼睛有毒嗎?一個重要但被忽視的問題!?

2019-07-10 X-MOL資訊新聞:Adv. Sci.:納米材料對眼睛的安全性評估不容忽視

近年來,納米材料由于其獨特的理化性質,在家電、美容、紡織、電子工業和機械生產等領域都發揮著重要作用。然而,隨著納米材料越來越廣泛地應用在生產和生活中,它們所帶來的安全隱患也引起了社會各界的廣泛關注。在過去的幾年里,科學家多將研究方向集中在納米材料對皮膚、呼吸道、肺部、肝腎腦等器官的安全性研究,一個十分脆弱卻又非常重要的器官——眼睛,卻常常被研究者遺忘。眼睛的重要性是不言而喻的,我們日常生活中90%的信息是通過眼睛來收集的。然而作為一個淺表器官,眼睛直接暴露在外,環境中的毒性物質會直接導致眼部的損傷,給生活帶來極大的不便。據美國疾病防護中心報道,美國每年由于眼傷進急診室的病人高達300,000例。過去已有許多綜述報道過在不同工作環境,比如化妝品制造、農業生產、化工生產、建筑工地以及空氣污染等對眼部的危害,然而針對納米材料眼部安全性的專題綜述幾乎未見報道。與傳統的機械/化學/大顆粒物質損傷相比,納米材料由于其特殊的小尺寸,更容易穿過眼表屏障引起細胞毒性和免疫反應。另外,納米材料不僅可以引起眼球表面的應激反應,它還會滲入到眼球內部,對晶狀體、視網膜甚至視神經造成傷害。因此,納米材料的眼部安全性問題也是不容忽視的。

近日,中國科學院高能物理研究所納米生物效應與安全性院重點實驗室谷戰軍研究員與西南醫院的徐海偉教授在Advanced Science上發表了題為“Safety Assessment of Nanomaterials to Eyes: An Important but Neglected Issue”的綜述文章,總結歸納了迄今為止有關納米材料眼毒性的相關工作,并對當前納米材料眼毒性研究面臨的挑戰和其未來發展方向做出了深入的思考和前瞻性的展望。


圖1. 納米顆粒暴露引起的眼部疾病


文章首先簡單介紹了眼睛的結構(眼表、晶狀體、視網膜和視神經)以及納米材料對每個結構可能造成的危害(圖1);隨后總結了納米材料對眼部毒性的影響因素。文章第三部分重點分析總結了現有的納米材料眼部安全性的研究工作,并根據國際經合組織(Organization for Economic Cooperation and Development)提供的制造納米材料工作組(Working Party on Manufactured Nanomaterials)列表,將現有的工作按照材料分成三類:金屬納米材料(Au、Ag、Fe),金屬氧化物納米材料(SiO2、TiO2、ZnO、CeO2)和碳基納米材料(碳納米管、石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯)。最后,作者還指出了現有納米材料眼毒性研究的局限性以及對未來該領域研究方向,如何更好地保護眼睛,更安全地生產使用納米材料進行了分析和展望。該文章是迄今為止第一篇系統地介紹納米材料眼毒性的綜述,也為科研工作者提供了前瞻性的指導方向,引導更安全有效地生產使用納米材料。

首先,作者簡要描述了眼部解剖結構和典型的眼部疾病,重點介紹了工作中或環境中納米顆粒所導致的眼部疾病。雖然一些癥狀可能尚未在納米材料相關工作場所發現,但是鑒于納米顆粒對眼睛的發病機制,這些癥狀也可能是納米顆粒引起的。研究發現,納米顆粒的尺寸越小,越易導致眼部疾病。其中:

  • TiO2等顆粒物易引起干眼癥;

  • SiO2納米顆粒易導致硅肺患者的結膜穿孔;

  • 金屬離子可以誘導氧化應激活抑制抗氧化途徑而引發白內障;

  • 鐵離子在眼內的異物沉積會導致白內障和晶狀體變色;

  • 金、銀納米粒子或多壁碳納米管可能導致視網膜細胞或組織中細胞凋亡和增加氧化應激。

然后,作者探討了納米顆粒對眼睛的毒性影響因素。目前關于納米顆粒眼毒性因子的研究大多只關注其大小和暴露時間,然而由于其獨特的理化性質,有許多更為顯著的參數可能影響納米顆粒的眼毒性。納米顆粒的化學成分及其化學性質就易導致較大的毒性。納米材料中可能含有重金屬或其他毒性較大的金屬,而納米顆粒的化學性質可能會從細胞攝取、亞細胞定位和氧化應激等幾個方面影響毒性分布。同時,納米顆粒的大小和形狀對其毒性也有很大影響。尺寸越小,其毒性越大,棒狀形毒性大于球形的毒性。表面面積、電荷和改性對納米顆粒的毒性也有一定影響。當納米顆粒具有相同的質量、相同的化學成分和相同的晶體結構時,其表面面積越大越易引發炎癥反應。帶正電荷的納米顆粒比帶負電荷或中性電荷的納米顆粒更易被細胞吸收,從而導致更多的炎癥反應和細胞死亡。納米顆粒的表面修飾/功能化可以顯著改變納米顆粒的生物物理化學性質,與納米顆粒的安全性或毒性密切相關。此外,納米顆粒的劑量、濃度和納米顆粒在溶劑或生物介質中的行為都會影響其毒性。

最后,作者探討了工作場所納米材料的眼部毒性。眾多毒性研究表明納米顆粒主要通過四種機制引起細胞毒性:(a)氧化應激的產生;(b)細胞膜破裂;(c)誘導炎癥反應;(d)基因毒性。作者探討了金屬納米材料、金屬氧化物納米材料和碳納米材料三種材料對眼睛的毒性。盡管大塊金屬被認為對人是安全的,但是已有研究發現金屬納米顆粒對人的眼睛是有毒性作用,尤其是長期接觸的金屬納米顆粒,會引發慢性職業病。


圖2.(a)小鼠視網膜中Ag和Au NPs攝取的TEM圖;(b)在20和80 nm Ag和Au NPs作用后,小鼠視網膜中凋亡細胞的數量增加;(c)氧化應激

對于金屬氧化物納米顆粒而言,其尺寸越小越易引起毒性問題。例如,常見的小尺寸的SiO2納米顆粒易引起肺病,小尺寸的TiO2和ZnO納米顆粒易引起眼部疾病。

圖3.(a)SiO2 NPs對直徑、濃度范圍的細胞活力的影響;(b-c)不同尺寸的SiO2 NPs對hCECs的損傷;(d)以SiO2 NPs對角膜和蛋白冠的毒性方案為治療策略;(e)不同尺寸SiO2 NPs對結構性角膜損傷的影響及FBS的治療效果。

由于碳納米材料(富勒烯、碳納米管、石墨烯等等)已被廣泛用于皮膚護理、化妝品和生物醫學方面,所以考查碳納米材料對眼睛的毒性也尤為重要。當這些碳納米材料懸浮在氣相或液體中時,會增加對工人和消費者的接觸機會和時間,進而通過皮膚毛孔或眼睛進入身體,從而增加潛在的毒性。因此,當我們在生活中需要接觸這些碳納米材料時,需要注意保護好自己。


圖4.(a-d)氧化石墨烯(GO)對hCorECs的毒性評估;(e-g)利用(e)體外和(f,g)體內模型評估GO暴露的眼刺激可能性的實驗的示意圖。

表1. 工業或環境領域常用納米材料的毒性研究清單

總結

綜上所述,本文首先從眼表、晶狀體、視網膜和視神經等方面對幾種典型的顆粒物質暴露性眼病進行了綜述。由于異物可在生物體內引起系統性炎癥反應,環境納米顆粒可能對眼睛的各個部位產生毒性。此外,還簡要介紹了環境納米顆粒對眼睛毒性的研究進展。雖然表一中已經列出了一下常見納米顆粒對眼睛有毒性且都已被納入檢測中,但是這遠遠是不夠的。目前,關于該研究還存在以下挑戰:

(1)在納米顆粒眼毒性研究中,不同的研究小組使用不同的生物模型,其結果的合理性有待商榷,需要標準策略的研究結果來解釋納米材料對眼睛的毒性;

(2)未能長期重復研究納米顆粒對眼睛產生的毒性,因此需要進行長期毒性研究以聲稱安全使用納米材料;

(3)需進一步研究納米材料的內在毒性,以實現對眼睛吸收納米材料的綜合安全性研究。總之,納米材料對眼睛的安全與對皮膚或肺的安全同等重要。通過深入了解納米顆粒對眼睛的毒性,可以為接觸納米材料創造一個更安全的環境。


參考文獻

Zhu Shuang, Gong Linji, Li Yijian, Xu Haiwei*, Gu Zhanjun*, Zhao Yuliang. Safety Assessment of Nanomaterials to Eyes: An Important but Neglected Issue. Advanced Science. 2019;0:1802289. DOI: 10.1002/advs.201802289

全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802289