《Science of The Total Environment》：Chronic effects of silver nanoparticles on kidney metabolism in mice: a metabolomic approach
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AgNPs与Ag离子在雄性小鼠120天慢性暴露下，肾脏Ag积累量及代谢模式存在显著差异。AgNPs通过持续释放Ag离子和氧化应激导致核酸与有机酸代谢紊乱，而Ag离子主要引发氨基酸与胆汁酸代谢异常及炎症反应。研究证实两种银形态的肾毒性机制与生物效应存在本质区别，为长期健康风险评估提供依据。
王新雷|马英雪|王川|杨柳燕|魏思|苗爱军
中国江苏省南京市南京大学环境学院，水污染控制与绿色资源回收国家重点实验室，210023
摘要
银纳米粒子（AgNPs）的释放及其潜在的人类暴露引发了重大的健康担忧。尽管AgNPs的毒性效应与银离子（Ag^+)有相似之处，但由于其独特的物理化学性质，AgNPs可能表现出不同的生物效应。在本研究中，我们比较了AgNPs和Ag^+对小鼠的肾毒性，重点关注了银在肾脏中的积累、代谢变化以及对肾脏健康的潜在影响。雄性小鼠被暴露于AgNPs或Ag^+中120天。通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）量化了肾脏中的银积累，并进行了非靶向代谢组学分析以评估肾脏组织的代谢变化。我们发现，与Ag^+相比，AgNPs在肾脏中的积累更为稳定和持久。AgNPs的暴露主要影响了核苷酸和有机酸的代谢，破坏了关键的能量代谢途径，如烟酸和烟酰胺代谢、糖酵解以及脂肪酸生物合成。相比之下，Ag^+的暴露主要影响了氨基酸和胆汁酸的代谢，可能引发了炎症反应。这些发现突显了AgNPs和Ag^+的不同生物效应，强调了在长期健康风险评估中需要分别考虑这两种物质，并为银基纳米材料的安全应用提供了科学依据。
引言
银纳米粒子（AgNPs）由于其广谱抗菌特性和独特的表面及尺寸特性而得到广泛应用（Carbone等人，2016年）。它们被纳入各种消费品中，增加了环境释放的可能性（Pulit-Prociak和Banach，2016年）。此外，AgNPs可以通过食物和药物的摄入进入人体（Mitrano等人，2014年；Quadros等人，2013年），估计每日膳食摄入量为70–90微克（Mercier-Bonin等人，2018年；Wijnhoven等人，2009年）。一旦被摄入，AgNPs会被吸收并分布到各种器官中，可能带来健康风险。AgNPs的毒性主要归因于Ag^+的释放，后者可以破坏细胞膜并引发氧化应激（Li等人，2019a；Li等人，2019b），导致DNA和线粒体损伤（Kim和Ryu，2013年；Lee等人，2014年）。然而，AgNPs的毒性不能完全用离子释放来解释，其背后的机制仍不完全清楚。AgNPs本身具有高比表面积、强吸附能力和穿透生物膜的能力，表现出不同的生物效应，例如持续的抗菌活性和比Ag^+更低的急性毒性（Chen等人，2021年；Hadrup和Lam，2014年；Kvitek等人，2011年）。因此，比较AgNPs和Ag^+的毒性对于准确预测和减轻与银暴露相关的潜在健康风险至关重要。目前关于动物模型中AgNPs和Ag^+比较毒性的研究仍然有限且分散。研究表明，AgNPs可以穿透血脑屏障并进入中枢神经系统，其毒性机制涉及氧化应激和线粒体损伤，以及肝脏和脾脏的组织病理学变化，包括单核细胞浸润和纤维化（Adeyemi等人，2015年；AshaRani等人，2009年）。相比之下，Ag^+的暴露与体重减轻、免疫抑制、心脏肥大和神经递质紊乱有关（Hadrup和Lam，2014年）。虽然AgNPs主要在肝脏和脾脏中积累，肾脏是次要靶器官（Korani等人，2011年），但Ag^+的暴露会导致肾小管和肠黏膜中大量积累（Hadrup和Lam，2014年）。肾脏是通过过滤和排泄代谢废物来维持体内平衡的关键器官（Levey等人，2020年；Tang等人，2020年）。因此，由于急性暴露，Ag^+可以通过血液迅速过滤到肾脏中，主要导致肾小管急性损伤（Rohde等人，2021年；Veronesi等人，2016年）。尽管AgNPs在肾脏中的初始积累是次要的，但其长期滞留、持续的Ag^+释放（“特洛伊木马”效应）以及其引发氧化应激和炎症的能力使得肾脏特别容易受到AgNPs的慢性毒性影响（Razooki和Rabee，2019年）。对大鼠尿液代谢组的研究显示，AgNPs暴露后尿酸和尿囊素的排泄增加，表明肾脏功能发生变化（Hadrup等人，2012年）。然而，大多数现有实验分别评估AgNPs或Ag^+，缺乏在同一模型中直接比较它们的肾毒性的研究。此外，现有研究主要关注急性或亚慢性暴露，关于环境相关剂量对肾脏健康的长期影响的数据不足。
在本研究中，我们仅使用雄性C57BL/6小鼠以减少基于性别的毒性反应差异，并连续120天暴露于AgNPs。为了比较AgNPs和Ag^+的毒性效应，分别用Ag^+处理了不同的小鼠组。通过ICP-MS量化了慢性暴露后肾脏中的银积累，并进行了非靶向代谢组学分析以评估肾脏代谢谱型和识别与AgNPs暴露相关的潜在健康效应。本研究的目的是比较AgNPs和Ag^+的肾毒性，阐明它们的不同生物效应，并为银基纳米材料的风险评估策略提供依据。总体而言，我们的研究提供了关于银诱导的肾脏毒性的更深入见解，并支持在各个行业中开发更安全的AgNPs应用。
章节片段
纳米粒子及其表征
本研究中使用的AgNPs来自中国南京的XFNANO公司，并涂覆了聚维吡咯烷酮（PVP）以确保水溶性。使用前，AgNPs通过3 kDa再生纤维素膜（Millipore，Merck KGaA，德国）进行透析，以去除任何溶解的杂质。在70%硝酸（HNO3）中消化后，使用ICP-MS（NexION 300，PerkinElmer，美国马萨诸塞州）确定了AgNPs的浓度；消化过程在中国北京化学试剂研究所进行。肾脏中的银积累
本研究中使用的AgNPs悬浮在超纯水中，并涂覆了PVP以防止聚集。通过动态光散射（DLS）测得的流体动力学直径为22.2 ± 6.1纳米。从1000多个随机选择的TEM图像中确定的平均粒径为15.0 ± 5.0纳米。DLS测得的较大直径可能反映了水合效应和PVP涂层的影响。TEM和DLS均证实了AgNPs在悬浮液中的良好分散性。结论
在本研究中，小鼠被暴露于AgNPs和Ag^+中120天，并测量了肾脏中的银积累。结果显示，AgNPs的积累时间更长，且比Ag^+更难被清除。非靶向代谢组学分析显示，AgNPs的暴露主要改变了肾脏中的核酸和有机酸代谢，可能影响了能量代谢。相比之下，Ag^+的暴露显著影响了氨基酸和胆汁酸的代谢，表明可能存在炎症反应。
CRediT作者贡献声明
王新雷：撰写——初稿、可视化、方法学、研究。马英雪：方法学。王川：可视化。杨柳燕：验证。魏思：监督、研究。苗爱军：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
我们感谢两位匿名审稿人对本文提出的建设性建议。本工作得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFA1205603和2023YFE0121500）、国家自然科学基金（项目编号：22436002、22406088、21822605和22176093）、中国博士后科学基金（项目编号：2024M761400）以及江苏省优秀博士后人才资助计划的支持。
