博文
预测纳米粒子的毒性一个模型
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据C&EN周刊2012年4月23日报道的最新消息［1］，研究人员将半导体粒子的电气性能和引起发炎能力链接在一起。因为纳米粒子越来越多地融入到人们的生活，但是对于其毒理作用的关注不仅仅是消费者，环境科学家对于纳米微粒对人体健康的影响更是在不断进行深入研究。最为理想的情况就是开发一种以纳米粒子的化学性质为基础的毒性预测模型。已经有一个研究小组报告称，现在第一个这样的预测模型是采用金属氧化物纳米材料的电气性能和溶解性来预测纳米粒子的毒性，这项研究成果2012年4月15日在ACS Nano杂志网站发表［2］ 。
金属氧化物纳米粒子是属于半导体材料之列，在燃料电池和电子产品中推动氧化还原反应的发生。在此之前，纳米氧化物对于健康问题的影响已有研究，如电焊工的肺炎就是因为吸入了含有纳米金属氧化物粒子的烟雾所致［3］ 。
美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的Andre Nel想知道纳米粒子的电气性能是否与他们的毒性有关联。每一种金属氧化物的反应活性都取决于其带隙,即从另外一种化合物或者材料获得一个电子所需要的能量，或者使自身失去一个电子给其他化合物或者材料所需要的能量。如果电子被一个细胞吸收,实际上就是纳米微粒与分子发生氧化还原反应。Andre Nel和他的研究小组其他成员认为,如果一个纳米粒子的能带隙的要求，与驱动这些细胞发生化学反应的能量相匹配，那么这种材料就可以破坏细胞的特有的良好调节以及严格遵循的氧化还原反应。生物化学家已经知道，如此的扰乱会导致细胞损伤，出现炎症。
为了验证他们的设想,研究人员研究了24种金属氧化物纳米材料。基于材料的带隙和已知的细胞氧化还原能量，研究团队预测,可能会有6种氧化物纳米粒子具有毒性，他们分别是TiO2、Ni2O3、CoO、Cr2O3、Co3O4以及Mn2O3。然后，将24种纳米粒子分别与人类支气管细胞和鼠血细胞接触。观测纳米金属氧化物粒子对于细胞的影响。实验结果发现，除了TiO2之外，另外预言的5种金属氧化物纳米粒子均可以引起细胞毒性反应，与对照（尚未与纳米微粒接触的）细胞相比较，细胞存活减少高达80%。就连未预言的2种金属氧化物（CuO和ZnO）也有毒性作用，但是与其他测试的金属氧化物纳米颗粒不同，这两种金属氧化物纳米粒子在水中溶解会释放有毒金属离子。基于这些结果,Andre Nel认为毒性模型不仅包括有关物质的能带隙,而且也与其溶解性有关。
然后,研究小组测试纳米粒子对活体动物健康的影响，迫使老鼠吸入纳米金属氧化物微粒悬浮剂，其中含有引起细胞毒性、最终导致动物肺炎的5种金属氧化物纳米微粒。实验结果发现,白细胞数量和细胞因子水平至少是暴露在5种金属氧化物纳米微粒中老鼠或者与其他纳米金属氧化物微粒接触的老鼠的5倍，而白细胞数量和细胞因子水平正是确诊炎症的2个指标。德国慕尼黑亥姆霍兹中心（Helmholtz Center Munich）的Wolfgang Kreyling认为该研究无愧是预测纳米粒子毒性的“一个真正优秀的首次尝试（a really good first attempt）”，其优势就是将细胞毒性与动物数据链接在一起。但该模型未必对于所有金属氧化物纳米微粒都适用，因为纳米粒子的制备很独特，其大小、形状和纯度各异，可能对其毒性产生戏剧性的影响。
金属氧化物纳米粒子是属于半导体材料之列，在燃料电池和电子产品中推动氧化还原反应的发生。在此之前，纳米氧化物对于健康问题的影响已有研究，如电焊工的肺炎就是因为吸入了含有纳米金属氧化物粒子的烟雾所致［3］ 。
美国加利福尼亚大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）的Andre Nel想知道纳米粒子的电气性能是否与他们的毒性有关联。每一种金属氧化物的反应活性都取决于其带隙,即从另外一种化合物或者材料获得一个电子所需要的能量，或者使自身失去一个电子给其他化合物或者材料所需要的能量。如果电子被一个细胞吸收,实际上就是纳米微粒与分子发生氧化还原反应。Andre Nel和他的研究小组其他成员认为,如果一个纳米粒子的能带隙的要求，与驱动这些细胞发生化学反应的能量相匹配，那么这种材料就可以破坏细胞的特有的良好调节以及严格遵循的氧化还原反应。生物化学家已经知道，如此的扰乱会导致细胞损伤，出现炎症。
为了验证他们的设想,研究人员研究了24种金属氧化物纳米材料。基于材料的带隙和已知的细胞氧化还原能量，研究团队预测,可能会有6种氧化物纳米粒子具有毒性，他们分别是TiO2、Ni2O3、CoO、Cr2O3、Co3O4以及Mn2O3。然后，将24种纳米粒子分别与人类支气管细胞和鼠血细胞接触。观测纳米金属氧化物粒子对于细胞的影响。实验结果发现，除了TiO2之外，另外预言的5种金属氧化物纳米粒子均可以引起细胞毒性反应，与对照（尚未与纳米微粒接触的）细胞相比较，细胞存活减少高达80%。就连未预言的2种金属氧化物（CuO和ZnO）也有毒性作用，但是与其他测试的金属氧化物纳米颗粒不同，这两种金属氧化物纳米粒子在水中溶解会释放有毒金属离子。基于这些结果,Andre Nel认为毒性模型不仅包括有关物质的能带隙,而且也与其溶解性有关。
然后,研究小组测试纳米粒子对活体动物健康的影响，迫使老鼠吸入纳米金属氧化物微粒悬浮剂，其中含有引起细胞毒性、最终导致动物肺炎的5种金属氧化物纳米微粒。实验结果发现,白细胞数量和细胞因子水平至少是暴露在5种金属氧化物纳米微粒中老鼠或者与其他纳米金属氧化物微粒接触的老鼠的5倍，而白细胞数量和细胞因子水平正是确诊炎症的2个指标。德国慕尼黑亥姆霍兹中心（Helmholtz Center Munich）的Wolfgang Kreyling认为该研究无愧是预测纳米粒子毒性的“一个真正优秀的首次尝试（a really good first attempt）”，其优势就是将细胞毒性与动物数据链接在一起。但该模型未必对于所有金属氧化物纳米微粒都适用，因为纳米粒子的制备很独特，其大小、形状和纯度各异，可能对其毒性产生戏剧性的影响。
［1］Jeffrey M. Perkel. A Model To Predict Nanoparticle Toxicity［J/OL］. C&EN, (April 23, 2012). http://cen.acs.org/articles/90/web/2012/04/Model-Predict-Nanoparticle-Toxicity.html.
［2］ZHANG Hai-yuan, JI Zhao-xia, XIA Tian, et al. Use of Metal Oxide Nanoparticle Band Gap to Develop a Predictive Paradigm for Oxidative Stress and Acute Pulmonary Inflammation ［J］. ACS Nano, ［April 15, 2012］. DOI: 10.1021/nn3010087, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn3010087.
［3］Jane D McNeilly, Mathew R Heal, Iain J Beverland, et al. Soluble transition metals cause the pro-inflammatory effects of welding fumes in vitro［J］. Toxicology and Applied Pharmacology, 2004, 196(1): 95-107. DOI: 10.1016/j.taap.2003.11.021, http://dx.doi.org/10.1016/j.taap.2003.11.021.
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