随着纳米科技的发展,越来越多的含纳米材料的产品进入到人们的日常生活。截至2017年3月,全球商品化的纳米产品已达1827种。由于其独特的物理化学性质,纳米材料在能源、化工、电子工业、生物医药等领域应用广泛。纳米材料的广泛应用极大的增加了其与人类接触的机会。纳米材料暴露可通过产生氧化应激、诱发炎症反应等途径在细胞、器官和动物水平表现出显著的毒性效应。无论是处于特殊生理时期的群体还是疾病群体,通常都伴随着机体正常生理功能的减弱或缺失。纳米材料所表现出的毒性效应在易感群体中会得到进一步的放大。因此,评价纳米材料在易感群体中的潜在毒性十分必要和迫切。超重和肥胖是指可损害人体健康的异常或过量的脂肪累积。超重和肥胖能显著增加个体的死亡风险以及脂肪肝,糖尿病,高血压,胰岛素抵抗综合症,甚至某些癌症的发生风险。此外,超重群体是环境有害因素的易感群体,环境污染物暴露通常在超重群体中表现出更强的毒性效应。近些年来,人们饮食结构和生活方式的改变使得超重和肥胖人群的数量在全球范围内迅速增加。据WHO估计,2014年全球成年人口中有超过19亿人超重或肥胖,其中逾13亿人超重但未达到肥胖的标准(25 ≤BMI<30)。儿童青少年的超重比例也在10%以上。纳米材料暴露对超重群体的生物安全性评价具有十分重要的现实意义。纳米银是目前应用最为广泛的纳米材料之一,其与人类接触的机会也相对较多。已有的研究结果显示,纳米银在细胞和动物水平上均表现出显著的毒性效应,引起细胞损伤和靶器官毒性。氧化应激、炎症反应以及线粒体损伤等是目前认为纳米银产生毒性效应的主要作用机制。此外,纳米银在溶液环境中会释放银离子,其释放的银离子也被认为是纳米银毒性的主要来源之一。目前纳米银的生物安全性评价工作更多的是在细胞和正常动物中开展的,其在易感群体中的毒性评价相对较少。本论文首先评价了口服暴露银纳米材料对高脂饮食诱导的超重小鼠的毒性效应,并对毒性机制做了阐明。体内分布实验结果显示,肝脏是纳米银和银离子经胃肠道吸收后的主要聚集场所。通过对超重小鼠肝脏中银的状态的定性和定量的分析,我们发现银离子可以在超重小鼠的肝脏中被还原成纳米银,且模拟的银离子暴露组超重小鼠肝脏中经还原生成的纳米银的量与实测的纳米银暴露组超重小鼠肝脏中的纳米银积累量相当。在对正常小鼠不造成显著毒性的暴露剂量下,连续14天口服暴露纳米银或硝酸银在超重小鼠中引起类似程度的加剧的非酒精性脂肪肝发病进程。具体表现为,肝脏炎症因子水平及脂质含量显著升高,肝组织出现显著的炎症和水样变性,高脂饮食所致肝脏脂肪变性程度进一步加剧。超重小鼠肝组织上述病理学改变结果暗示,纳米银暴露促进了超重小鼠肝脏由单纯性脂肪肝病向脂肪性肝炎的转变。这种转变加剧了超重小鼠肝脏向更严重阶段的非酒精性脂肪肝病发展的风险。结合超重小鼠肝脏中银的状态的定性和定量的分析结果,我们认为纳米银暴露对超重小鼠肝脏造成的毒性损伤来自银纳米颗粒,而不是银离子。为深入探讨纳米银加剧非酒精性脂肪肝发病进程的机制,我们对脂肪肝相关基因做了 PCR阵列的筛查。结果显示,纳米银或银离子暴露显著上调了炎症相关基因(Tnfa,Il6,II10等)的表达,显著下调了脂肪酸氧化相关基因(Ppard,Pdk4等)的表达。进一步的基因、蛋白水平的分析结果表明,在超重小鼠肝脏中积累或生成的银纳米颗粒可激活Kupffer细胞,诱导TNF-α和IL-6的释放,引起NFκB,JNK和p38 MAPK等炎症信号通路的激活,最终导致肝脏炎症的发生。此外,纳米银可通过直接或间接(通过增加TNF-α释放)下调Ppard及其靶基因的表达,抑制脂肪酸氧化过程,最终导致超重小鼠肝脏脂肪变性程度加剧。尽管纳米颗粒的潜在毒性效应及其对人类健康的潜在威胁已得到了广泛的研究,本课题的研究意义在于,我们发现纳米材料的健康危害会在易感的超重群体中得到进一步放大。本研究充分说明了纳米银在超重人群中的应用或意外暴露的危险应该受到高度关注。另一方面,纳米材料进入环境之后,随空气、水、食物等各种介质在环境中扩散的过程中,势必与环境中的其它有机或无机污染物相互作用,形成纳米材料-环境污染物复合体系。此外,纳米材料高的比表面积和表面活性使得其在环境污染物吸附方面优势明显,在污染物去除等环保领域应用前景广阔。这进一步加剧了环境中纳米材料-污染物共存现状,增加了人类共暴露纳米材料和环境污染物的机会。已有的研究结果显示,纳米材料与环境污染物共暴露可显著改变污染物在细胞、低等水生生物以及高等哺乳动物中的吸收分布,引起差异于污染物单独暴露的毒性效应。然而,纳米材料-环境污染物复合体系在易感群体中的生物分布行为及毒性效应研究目前相对较少。本研究在课题组前期工作的基础上,选用氧化锌纳米材料为纳米材料的代表,选用铅离子为典型重金属污染物的代表,评价了氧化锌纳米材料和铅离子共暴露在超重小鼠中的生物分布行为及毒性效应。经口服暴露后,纳米氧化锌显著增加了铅离子在正常及超重小鼠肾脏、脾脏、肝脏等主要脏器的累积量,这一方面可能是由于纳米氧化锌作为重金属离子的载体,促进了铅离子的吸收,另一方面,游离的铅离子比纳米氧化锌-铅离子复合物更容易被各脏器清除。高脂饮食饲喂引起超重小鼠小肠通透性的增加,进一步加剧了铅离子在超重小鼠中的积累。毒性评价结果显示,纳米氧化锌与铅离子共暴露引起了超重小鼠体重的显著性下降。此外,铅离子在主要脏器的积累对超重小鼠的肾脏和脾脏没有造成显著的病理学改变,但加重了超重小鼠的肝脏损伤,显著增加了超重小鼠血清中表征肝脏功能的谷丙转氨酶和谷草转氨酶的含量。本研究工作充分说明了超重小鼠对纳米材料与重金属离子共暴露反应更加敏感,警示超重群体应该更加谨慎的对待环境中纳米颗粒与重金属污染物的复合暴露。综上所述,虽然我们在将模型小鼠中的研究结论外推至人类,将实验室研究外推到实际环境暴露时应该特别谨慎,本研究仍然显示,超重群体对环境暴露纳米材料及纳米材料-污染物复合物反应更加敏感,超重群体应该更加谨慎的对待环境中纳米颗粒暴露(应用暴露及意外暴露)及其与重金属污染物的复合暴露。