口腔納米材料的神經(jīng)毒性及作用機(jī)制

　　【摘要】 近年來，納米材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域如種植體表面改性、抗菌、緩釋等方向的應(yīng)用廣泛增加。然而，納 米材料活躍的理化性能是一把雙刃劍，其可能對(duì)人體造成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)�？谇粦�(yīng)用納米材料可通過多種途 徑釋放入血液，并隨血液穿透血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。不僅如此，納米材料還可通過嗅神經(jīng)、感覺神經(jīng) 末梢轉(zhuǎn)運(yùn)直接作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，導(dǎo)致中樞神經(jīng)出現(xiàn)器質(zhì)性和功能性損傷，甚至引起胚胎發(fā)育的神經(jīng)毒 害。納米材料在體內(nèi)能夠與細(xì)胞、基因及蛋白質(zhì)等生物分子相互作用，通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、細(xì)胞自 噬、凋亡及基因毒性等作用機(jī)制產(chǎn)生神經(jīng)毒性。影響納米材料毒性的因素包括顆粒的大小、作用濃度、溶解 度等。本文對(duì)口腔納米材料的應(yīng)用、其進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的途徑，以及引起神經(jīng)毒性的可能機(jī)制作一綜述。

　　【關(guān)鍵詞】 納米材料; 口腔醫(yī)學(xué); 種植體表面改性; 抗菌材料; 神經(jīng)毒性; 血腦屏障; 中樞神經(jīng)系統(tǒng); 氧化應(yīng)激; 自噬; 基因毒性

　　納米材料是尺寸為 1～100 nm 的顆粒凝聚而 成的材料，由于其尺寸大小與 DNA、蛋白質(zhì)、病毒 等相近，納米材料的生物學(xué)效應(yīng)尚未完全清楚。 納米材料因其獨(dú)特的性質(zhì)如小尺寸效應(yīng)、表面效 應(yīng)、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)，使其廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng) 域。納米材料在口腔領(lǐng)域中也有著較大范圍的應(yīng) 用，例如有大量的研究在粘接劑[1] 、種植體表面涂 層[2] 、漱口水[3] 等加入納米材料;并在腫瘤治療[4] 、 種植體表面改性[5] 、抗菌[6] 、骨缺損修復(fù)[7] 、牙周組 織修復(fù)[8]、緩釋載體[9]等方面得到廣泛運(yùn)用。

　　口腔材料論文投稿刊物：《中華口腔醫(yī)學(xué)雜志》由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管、中華醫(yī)學(xué)會(huì)主辦、中華口腔醫(yī)學(xué)會(huì)協(xié)辦、《中華口腔醫(yī)學(xué)雜志》編輯委員會(huì)編輯、中華醫(yī)學(xué)會(huì)雜志社出版的口腔醫(yī)學(xué)專業(yè)期刊，創(chuàng)刊于1953年8月。

　　因 此，其潛在的毒性也成為學(xué)者們?nèi)找骊P(guān)注的熱 點(diǎn)。研究證實(shí)納米顆粒通過呼吸道、消化道等方 式進(jìn)入人體，經(jīng)過淋巴、血液循環(huán)后沉積在靶器 官 ，繼 而 穿 透 細(xì) 胞 膜 、進(jìn) 入 線 粒 體 產(chǎn) 生 細(xì) 胞 毒 性[10⁃11] 。此外納米材料還可通過穿過血腦屏障、嗅 神經(jīng)[12] 、感覺神經(jīng)末梢[11] 轉(zhuǎn)運(yùn)作用于中樞神經(jīng)系 統(tǒng)，可引起一定的神經(jīng)毒性，造成神經(jīng)組織損傷。 許多體內(nèi)和體外研究探索了納米材料與生物大分 子、細(xì)胞、器官和組織的相互作用，發(fā)現(xiàn)了納米材 料 的 生 物 毒 性 可 能 是 由 氧 化 應(yīng) 激[13]和 炎 癥 反 應(yīng)[14] 、細(xì)胞自噬[15] 、基因毒性[16] 等機(jī)制引起。為更 好了解口腔納米材料對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的毒性，以 進(jìn)一步完善生物安全性評(píng)估系統(tǒng)，本文對(duì)口腔納 米材料及其進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的途徑，以及引起 神經(jīng)毒性的可能機(jī)制進(jìn)行綜述。

　　1 納米材料進(jìn)入機(jī)體的臨床途徑

　　在生活中，生產(chǎn)研究開發(fā)人員、口腔工作者和 患者是最常接觸到納米材料的人群。在臨床中， 口腔納米材料直接用于口腔或者頜面部區(qū)域，納 米材料在吞咽后通過口腔黏膜吸收或通過消化道 輕易進(jìn)入血液循環(huán)、淋巴循環(huán)。納米顆粒進(jìn)入人 體后，可沉積在肝、心、腦等不同器官。

　　人體暴露 途徑主要有皮膚接觸、黏膜接觸、呼吸道及消化 道等。 在皮膚接觸中，研究表明納米 TiO2在健康的或 受損的皮膚中不會(huì)穿透角質(zhì)層進(jìn)入活細(xì)胞，因此 不會(huì)到達(dá)全身循環(huán)[17] 。納米顆粒等有可能通過黏 膜由感覺神經(jīng)末梢攝取，最終沿神經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)。至于 其他暴露途徑，納米顆粒等主要通過呼吸道吸入 體內(nèi)，沉積在肺泡表面后，經(jīng)巨噬細(xì)胞吞噬作用進(jìn) 入血液循環(huán)，進(jìn)而進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)毒 性[10] 。納米二氧化鈦顆粒可通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入鼻 腔黏膜，并沿神經(jīng)細(xì)胞軸突由鼻異位至腦，最終通過鼻-腦通路的逆行性軸突轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入腦組織[18] 。

　　2 納米材料進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的途徑

　　隨著人們對(duì)納米材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)納米 材料能夠通過血腦屏障(blood brain barrier，BBB) 進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，進(jìn)而產(chǎn)生一定的神經(jīng)毒性。 納米顆�？梢酝ㄟ^以下 3 種途徑進(jìn)入中樞神經(jīng)系 統(tǒng)：①跨越血腦屏障;②先經(jīng)鼻黏膜轉(zhuǎn)運(yùn)至嗅球， 再經(jīng)嗅神經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)至中樞神經(jīng)系統(tǒng);③經(jīng)感覺神經(jīng) 末梢直接攝入并轉(zhuǎn)運(yùn)至中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

　　2.1 血腦屏障

　　血腦屏障由腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞(brain micro⁃ vascular endothelial cells，BEMC)及 BEMC 之間廣泛 的緊密連接構(gòu)成，緊密連接由跨膜蛋白(Claudin⁃1 等)、胞漿附著蛋白(ZO⁃1 等)與細(xì)胞骨架蛋白相連 而組成，是細(xì)胞之間的通透屏障。緊密連接 蛋白表達(dá)量、位置分布及結(jié)構(gòu)功能的變化可引起 血腦屏障的通透性發(fā)生改變。納米顆粒主要利用 內(nèi)皮細(xì)胞或膠質(zhì)細(xì)胞的內(nèi)吞/外排作用穿透血腦 屏障。

　　2.2 嗅覺及味覺神經(jīng)通路

　　神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)臟感覺傳導(dǎo)通路分為一般內(nèi)臟 感覺和特殊內(nèi)臟感覺傳導(dǎo)通路，其中，嗅覺和味覺 同屬于特殊內(nèi)臟感覺傳導(dǎo)通路。納米顆粒可以通 過鼻腔滴注、舌體滴注分別進(jìn)入嗅細(xì)胞和味蕾，從 而進(jìn)入嗅覺味覺神經(jīng)通路，引起神經(jīng)毒性。 嗅球-大腦的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑主要有 2 條通路：嗅神 經(jīng)通路和三叉神經(jīng)通路。

　　其中，經(jīng)由嗅神經(jīng)入腦途徑是轉(zhuǎn)運(yùn)的主要途徑。將納米材料滴注進(jìn)入小 鼠的鼻腔之后，可經(jīng)鼻黏膜沿嗅神經(jīng)或嗅黏膜上 皮通路進(jìn)入嗅球，進(jìn)而到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，產(chǎn)生神 經(jīng)毒性[12] 。另外，也有研究發(fā)現(xiàn)通過在舌體上滴 注納米顆粒，其可經(jīng)由味覺神經(jīng)通路進(jìn)入腦組織， 沉積在小腦、大腦皮層和海馬等部位[19] 。

　　2.3 感覺神經(jīng)末梢直接攝入及神經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)

　　研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)氣管滴注，支氣管區(qū)域的感覺神 經(jīng)可攝入納米顆粒并能將其轉(zhuǎn)運(yùn)至頸部的迷走神 經(jīng)節(jié)。納米顆粒還可以被三叉神經(jīng)分布在口、鼻 腔黏膜的感覺神經(jīng)末梢攝取，最終沿神經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)至 中樞神經(jīng)系統(tǒng)[11] 。

　　3 納米材料對(duì)機(jī)體的毒性表現(xiàn)

　　根據(jù)目前的研究進(jìn)展，筆者匯總了一些納米 材料對(duì)機(jī)體神經(jīng)系統(tǒng)的損害。其中包括納米材料 對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的組織損傷、中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能 的影響、胚胎的神經(jīng)毒性作用。

　　3.1 納米材料對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的組織損傷

　　3.1.1 體內(nèi)毒性表現(xiàn)

　　口腔納米材料會(huì)對(duì)腦組織 的不同部位有不同程度的損害。經(jīng)納米顆粒暴露 的動(dòng)物會(huì)對(duì)動(dòng)物的海馬體、紋狀體、大腦皮質(zhì)、小 腦、腦的腹側(cè)表面近端額葉有損傷。納米材料對(duì) 大腦不同分區(qū)的損害程度不同，有研究將單壁碳 納米管通過尾靜脈注射至清潔級(jí)大鼠，發(fā)現(xiàn)納米 顆粒對(duì)其小腦損傷較小，而紋狀體和海馬的損傷 程度較重。納米材料損害海馬體的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞、 使其發(fā)生了形態(tài)、結(jié)構(gòu)及增殖率減少的改變，會(huì)影 響機(jī)體學(xué)習(xí)記憶功功能[20] 。納米材料暴露后的大 鼠大腦皮層和海馬組織松解，細(xì)胞排列松散。在 海馬結(jié)構(gòu)中，海馬 CA1 亞區(qū)和齒狀回是最易受損 的結(jié)構(gòu)。納米材料的暴露破壞了 CA1 海馬區(qū)域的 錐體神經(jīng)元將會(huì)影響機(jī)體的條件反射和記憶[18] 。

　　3.1.2 細(xì)胞毒性表現(xiàn)

　　納米材料會(huì)使神經(jīng)元變形、 結(jié)構(gòu)破壞，小膠質(zhì)細(xì)胞完整性破壞、變形及活力下 降，還會(huì)激活凋亡信號(hào)通路使人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞 (SH⁃SY5Y 細(xì)胞)發(fā)生凋亡、抑制細(xì)胞增殖期。研 究發(fā)現(xiàn)納米材料對(duì)神經(jīng)元損害包括突觸可塑性改 變，神經(jīng)元超微結(jié)構(gòu)變化如神經(jīng)元結(jié)構(gòu)紊亂，核固 縮核膜破壞，部分線粒體膜破壞消失，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損 傷，部分細(xì)胞溶酶體中還可見黑色聚合物，突觸后 膜致密物增厚[11] 。

　　3.2 納米材料對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的損傷

　　納米材料通過血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)后，通過影響神經(jīng)元、小膠質(zhì)細(xì)胞的凋亡、自噬以 及不同的形態(tài)變化、結(jié)構(gòu)損害等一系列細(xì)胞層面 的損害導(dǎo)致組織發(fā)生損害，影響高級(jí)神經(jīng)中樞如 軀體感覺中樞、視覺中樞、聽覺中樞和嗅覺中樞， 并由此導(dǎo)致大腦功能的損害，主要體現(xiàn)在低級(jí)神 經(jīng)行為如自發(fā)性活動(dòng)及高級(jí)神經(jīng)功能，包括抑郁 行為、顏色的辨知、學(xué)習(xí)能力及退行性神經(jīng)功能障 礙等。

　　3.3 納米材料對(duì)胚胎發(fā)育的神經(jīng)毒害

　　機(jī)體的血腦屏障是隨著年齡的增長逐漸發(fā)育 完善的。在胚胎期和幼兒期間，由于血腦屏障的 功能尚未完全建立，因此，納米材料更易通過血腦 屏障進(jìn)入到腦組織，進(jìn)而產(chǎn)生毒性作用。因此，對(duì) 納米材料對(duì)胚胎發(fā)育的神經(jīng)毒性應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格評(píng) 估。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，納米材料對(duì)胚胎有 神經(jīng)毒性，可使胚胎致死、胚胎致畸以及造成胎兒 的發(fā)育異常。 研究發(fā)現(xiàn)，暴露于 100 μg/L 的氧化石墨烯的斑 馬魚胚胎，氧化石墨烯對(duì)胚胎的發(fā)育影響主要表 現(xiàn)為明顯升高斑馬魚死亡率、胚胎畸形如小頭畸 形、色素減少的小眼睛或發(fā)育不全[21] 。

　　子代的血 腦屏障在懷孕的母體中發(fā)育需要一定的時(shí)間，血 腦屏障發(fā)育完善是胚胎的第 15 天，因此產(chǎn)前暴露， 特別是在屏障未發(fā)育完全之前，納米材料可能更 易通過血腦屏障進(jìn)入到胎兒的腦組織，進(jìn)而產(chǎn)生 毒性效應(yīng)。產(chǎn)前暴露于納米 ZnO 的孕鼠的子代， 觀察到子代大腦中鋅的濃度顯著升高，神經(jīng)元異 常凋亡壞死，出現(xiàn)學(xué)習(xí)和記憶功能障礙[22] 。

　　4 納米材料的神經(jīng)毒性機(jī)制

　　目前所知的納米材料所導(dǎo)致的神經(jīng)毒性反應(yīng) 包括細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)、遺傳毒性和 細(xì)胞成分的直接損傷等。同時(shí)，其他因素如信號(hào) 傳導(dǎo)途徑破壞、自噬和 DNA 甲基化、神經(jīng)遞質(zhì)失調(diào) 和 突 觸 可 塑 性 也 被 證 明 促 進(jìn) 納 米 顆 粒 的 神 經(jīng) 毒性。

　　5 影響納米材料毒性的因素

　　影響納米材料毒性的因素很多，例如顆粒的 大小、數(shù)目、濃度、溶解度、物理及化學(xué)性質(zhì)等。

　　5.1 粒徑 一般認(rèn)為，納米金的粒徑越小，越易通過血腦 屏障，能引起更嚴(yán)重的氧化應(yīng)激和神經(jīng)損傷，神經(jīng) 毒性也就越大。細(xì)胞凋亡跟納米顆粒的粒徑也有 關(guān)，10 nm 納米二氧化硅誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡最多，100 nm最少[34] 。對(duì)金納米顆粒研究表明，具有較小直徑 的納米顆粒會(huì)促進(jìn)細(xì)胞凋亡[35] 。

　　5.2 形狀 一般認(rèn)為，球形的納米顆粒比圓柱形、橢球形 或立方形等形狀的納米顆粒更容易被細(xì)胞攝取， 也有研究發(fā)現(xiàn)，較大長徑比的纖維狀結(jié)構(gòu)的細(xì)胞 毒性比球形結(jié)構(gòu)更大。球形納米顆粒比棒狀納米 顆粒的細(xì)胞毒性更小[36] 。

　　5.3 納米顆粒的聚集狀態(tài)、表面修飾 當(dāng)納米顆粒大量聚集后形成聚集體，其比表 面積降低，理化性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，更不易被細(xì) 胞吸收，因此對(duì)細(xì)胞的生物學(xué)效應(yīng)也相對(duì)減小。 修飾集團(tuán)會(huì)影響納米顆粒在體內(nèi)的分布及其清除 效率，進(jìn)而產(chǎn)生不同的生物毒性。相比之下，表面 修飾物包被后的納米材料神經(jīng)毒性更弱，因?yàn)樾?飾集團(tuán)會(huì)通過影響納米顆粒在體內(nèi)的分布及其清 除效率，產(chǎn)生不同程度的生物毒性[37] 。

　　5.4 暴露劑量和暴露時(shí)間 多數(shù)納米顆粒具有劑量依賴性，納米材料暴 露濃度越高、時(shí)間越長，在生物體內(nèi)的累積量越 大，對(duì)生物的毒性也越強(qiáng)。量子點(diǎn)的毒性效應(yīng)具 有劑量、時(shí)間和尺寸依賴性[38] 。類似地，納米 ZnO 可降低 PC12 細(xì)胞的存活率，表現(xiàn)為時(shí)間依賴性和 濃度依賴性。多壁碳納米管也表現(xiàn)出劑量依賴性 的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)作用[39] 。

　　6 總結(jié)與展望

　　隨著納米材料在口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不 斷擴(kuò)大，牙科工作人員和患者對(duì)納米材料的接觸 日益增多，因此需要接觸生物安全性良好的材 料。中樞神經(jīng)系統(tǒng)可能是納米材料的潛在靶器 官，確定納米顆粒的神經(jīng)毒性作用至關(guān)重要。雖 然近年來納米顆粒對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響受到了 關(guān)注，但體內(nèi)和體外研究仍然有限。目前較為局 限的測(cè)試方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵彩沟媒�立科學(xué)評(píng)估系 統(tǒng)變得困難。而納米材料所導(dǎo)致的神經(jīng)毒性反應(yīng) 如氧化應(yīng)激、凋亡、壞死等機(jī)制尚未完全清楚。因 此，不同納米材料的神經(jīng)毒性作用的機(jī)制研究仍 將是下一步研究的重點(diǎn)。

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　　作者：謝琳 1 , 馮曉黎 2 , 鄧梓 1 , 馬瑞 1 , 胡琛 1 , 邵龍泉 2

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