综述：金属纳米颗粒对人类健康的潜在不良影响：一项范围综述

《Journal of Occupational Medicine and Toxicology》：The potential adverse human health effects of metal-containing nanoparticles: a scoping review

本综述系统梳理了金属纳米颗粒（NPs）通过诱导氧化应激和炎症等机制产生的多器官毒性，强调了其毒性高度依赖于粒径、晶型等理化特性。文章指出，尽管体外模型（如气液界面ALI培养）在阐明毒性机制方面具有价值，但将其转化为临床结局仍面临挑战，未来研究需聚焦于标准化模型开发和生物标志物识别，以更好地进行风险评估。

　　

金属纳米颗粒的健康风险：从机制到展望

随着纳米技术在工业和消费品中的广泛应用，人类暴露于纳米颗粒（NPs）的机会日益增加。金属纳米颗粒因其独特的理化性质，其毒理学效应难以用经典模型预测，这使得纳米毒理学成为公共卫生领域的关键学科。本文基于范围综述的方法，对当前关于金属纳米颗粒潜在不良健康效应的临床前证据进行了梳理。

免疫系统

纳米颗粒与免疫系统的相互作用是研究的焦点。研究表明，纳米颗粒的表面化学、晶体结构和粒径强烈影响其免疫活性。例如，二氧化钛（TiO₂）等金属氧化物能激活巨噬细胞和上皮细胞，导致促炎细胞因子释放和氧化应激。其核心机制涉及炎症小体激活和白细胞介素-1β（IL-1β）的释放。晶体形态也至关重要，锐钛矿型TiO₂通常比金红石型表现出更强的氧化和炎症活性。此外，纳米颗粒的团聚状态会影响巨噬细胞的摄取和细胞因子的产生，较大的团聚体可能引发更强的IL-1β和IL-8释放。这些发现表明，纳米颗粒的免疫调节作用是由表面反应性、晶体结构、团聚状态和持久性共同决定的，而非仅由粒径或成分决定。

胃肠道系统

纳米颗粒与胃肠道屏障的相互作用是一个动态过程。粒径、表面电荷和团聚状态决定了纳米材料是被限制在黏液层还是进入上皮下间隙。在此界面，氧化锌（ZnO）和氧化铜（CuO）等会释放金属离子，而二氧化钛（TiO₂）等惰性材料则主要保持颗粒形态。这种早期溶解改变了纳米颗粒的聚集状态和膜亲和性。随后的 translocation（ translocation ）不仅取决于粒径，还取决于颗粒稳定性与溶解性之间的平衡。在肝脏中，纳米颗粒既以完整团聚体形式存在，也以溶解的金属离子形式存在，肝细胞损伤与离子释放引起的氧化应激密切相关。细胞内溶解，尤其是在酸性溶酶体条件下加速的溶解，会产生“特洛伊木马”效应，在肝细胞内造成局部高浓度的生物可利用金属，从而破坏线粒体膜电位，扰乱ATP平衡，激活糖异生和脂质处理通路，类似于早期脂肪变性或代谢损伤。

皮肤系统

皮肤是纳米颗粒相互作用的潜在门户。早期使用角质形成细胞单层模型的研究表明，TiO₂纳米颗粒能诱导氧化应激、凋亡和氧化性DNA损伤（如微核形成），而不会产生明显的细胞毒性。氧化铜（CuO）也报告了类似的氧化应激反应，但细胞活力下降更明显，这可能与铜离子的溶解有关。氧化锌（ZnO）的研究进一步表明，应激反应超越了活性氧（ROS）的产生，包括在角质形成细胞和黑色素细胞中激活金属硫蛋白、热休克蛋白和DNA损伤反应基因的转录。然而，三维重建表皮模型显示，当表皮屏障完好时，在单层浸没培养中具有细胞毒性的材料（如降解的氧化锰石墨烯复合材料）并不会引发显著刺激。这表明，尽管氧化应激是不同纳米颗粒类型的共同终点，但完整的角质层能有效减轻其生物学影响。

心血管系统

吸入和沉积研究表明，金属纳米颗粒可通过氧化和炎症机制直接损害心脏结构和功能。尸检发现心肌线粒体内嵌有富铁纳米颗粒，并伴有线粒体变形、内质网应激和氧化标志物升高，这与芬顿型反应一致。职业数据显示，焊工接触金属烟雾PM_2.5与全身氧化标志物相关。三维血管化模型通过NF-κB激活和钙信号传导，再现了纳米颗粒诱导的内皮通透性增加和血管收缩。这些发现建立了一个从环境暴露、生物标志物关联到受控机制建模和病理学确认的转化序列。

血液系统

相关证据表明血管和血液系统是金属纳米颗粒暴露的下游靶标。含有混合金属氧化物（铜、锌、锡）的复杂枪械发射气溶胶可引发内皮细胞因子释放和血小板活化，即使在没有ROS中间体的情况下也会产生促血栓形成 profile。互补机制模型表明，氧化铜和氧化锌纳米颗粒诱导氧化性DNA损伤、凋亡和血管活性信号失调，而氧化铈（CeO₂）产生的反应极小，强调了成分和溶解性在血管风险中的作用。在生理条件下，TiO₂纳米颗粒仅在无血清系统中引起红细胞裂解，痕量血浆蛋白可中和此效应。钯（Pd）纳米颗粒在平行气道、内皮和全血模型测试中，通过激肽释放酶-激肽激活诱导凋亡、血小板消耗和凝血酶生成。这些数据表明，血栓炎症机制正取代直接溶血，成为金属基纳米材料主要的心血管风险通路。

神经系统

来自人体和实验研究的证据表明，金属纳米颗粒可以穿透并与神经组织相互作用，但其毒性的程度和性质因颗粒成分、理化特性和生物学背景而异。对年轻城市居民的尸检研究显示，脑干（包括黑质）内存在富铁、铝和钛的纳米颗粒，并与神经退行性疾病病理标志物（如过度磷酸化的tau蛋白、α-突触核蛋白和TDP-43）共定位。形态学评估区分了与神经肠沉积相关的细长钛簇（9至60纳米）和典型食物来源的较大球形TiO₂颗粒（30至410纳米），提示了不同的暴露途径：钛可能通过轴突运输，而铝和铁聚集体则通过吸入。尽管仅为一例研究，但它支持了一种模型，即长期环境暴露于金属纳米颗粒可能催化蛋白质错误折叠和聚集，促进神经退行性病理。

来自非人神经元系统的实验数据提供了互补的机制证据。虽然啮齿动物来源的细胞系研究表明TiO₂纳米颗粒会引发氧化应激介导的凋亡，但人源模型的结果更具可变性。跨人肺、肝、胶质和神经元细胞系的比较研究表明，纳米颗粒被有效内化，但并未相应增加微核形成或细胞毒性，这归因于内吞和外排之间的动态平衡调节了细胞内积累，可能是观察到的反应相对于动物模型减弱的原因。来自暴露于氧化铈（CeO₂）纳米颗粒的人神经元和胶质细胞的进一步证据表明，即使长时间暴露，细胞毒性和基因毒性效应也极小，这与体内观察到的相对较低的神经毒性以及纳米铈提出的氧化还原稳定行为一致。

总体而言，文献描绘了一个神经毒性反应的梯度：动物和非人模型在暴露于金属纳米颗粒后 consistently 表现出氧化和凋亡效应，而人源系统则显示出减弱或可变的结果。这种差异可能反映了物种间摄取动力学、修复能力和纳米颗粒持久性的特异性差异，强调需要能够阐明纳米颗粒诱导神经毒性的人类相关性的方法。

生殖系统

一项针对有环境空气污染暴露母亲胎盘组织的研究，在组织驻留的吞噬细胞内发现了外源性碳质纳米颗粒。通过磁性分析和电子显微镜，研究人员确认这些纳米颗粒富含铁，与其他微量金属共存，且形态与燃烧和摩擦产生的污染物一致。这证实了吸入的纳米颗粒可以全身性易位，进入胎盘并被胎盘细胞摄取，为胎儿暴露于环境（可能包括职业）纳米颗粒提供了一条直接途径。

基因毒性

纳米颗粒基因毒性研究已从描述DNA损伤进展到机制和方法学的 refinement。早期人体研究表明，亚细胞毒性暴露可导致持续的基因组损伤，ZnO引起累积性DNA碎片化而无凋亡，TiO₂则产生氧化应激、凋亡和微核形成，共同暗示氧化应激和低效的DNA修复是纳米颗粒诱导基因毒性的关键决定因素。后续针对特定屏障的研究揭示了不同细胞类型的易感性差异：内皮细胞和巨噬样细胞表现出DNA损伤和检查点激活，而A549细胞相对耐受，改变谷胱甘肽含量可调节结果。机制理解进一步扩展。TiO₂诱导的黏蛋白和Toll样受体信号通路阐明了炎症途径，但对DNA损伤机制贡献甚微；而银（Ag）、金（Au）和铂（Pt）金属纳米颗粒的比较分析证实，银在不同粒径下均具有独特的基因毒性，反映了其溶解驱动的反应性而非尺寸依赖性。总之，这些研究确定基因毒性潜力不仅取决于材料反应性，还取决于特定细胞类型的抗氧化和修复能力。

后续研究注意力从简单的链断裂检测转向控制损伤持久性的细胞机制。发现TiO₂纳米颗粒抑制碱基切除修复（BER）和核苷酸切除修复（NER）活性，并通过启动子超甲基化下调多个修复基因，将暴露与修复能力的转录和表观遗传抑制联系起来。表观基因组分析扩展了这一概念：短期、非细胞毒性暴露于各种工程纳米材料改变了重复元件的DNA甲基化，并降低了DNA甲基化酶的表达，表明表观遗传漂变可能在暴露期结束后延长基因组不稳定性。ZnO暴露引发了显著的氧化和凋亡信号，但未激活关键的DNA修复通路；对钴（Co）和铈（CeO₂）氧化物的类似转录谱分析显示，此类应激反应因细胞类型而异，巨噬细胞中观察到更强的炎症信号，而上皮细胞中氧化激活较弱，表明纳米颗粒诱导的细胞应激常发生在未有效启动DNA修复机制的情况下。

与机制进展并行，评估纳米颗粒基因毒性的建模方法也经历了显著修订。气液界面（ALI）培养系统的出现表明，与浸没单层培养相比，在 realistic 气溶胶沉积下，明显的DNA和细胞毒性损伤常常降低。早期ALI研究表明，在表面剂量与人体暴露一致时，银纳米颗粒的细胞毒性或炎症可忽略不计，对传统体外评估的可靠性提出了挑战；后续比较证实，一旦控制剂量测定和团聚，这些系统产生的急性反应弱于浸没培养。在三维支气管组织模型中进行多材料测试进一步强调，基因毒性主要与核心材料的化学性质和溶解性相关，而非粒径或涂层。只有ZnO、柠檬酸盐稳定的银以及少数硅或锆氧化物产生了可测量的DNA损伤，而惰性氧化物在 comparable 摄取分数下呈阴性；使用人类相关剂量测定的互补气道共培养模型显示出 similarly 保守的结果，表明 realistic 的组织屏障显著减弱了在简单系统中观察到的基因毒性和炎症反应。

方法学的现实主义持续进步。ALI条件下的原代小气道上皮表现出氧化和基因毒性应激的转录组和microRNA特征，与体内吸入研究结果平行，证明此类具有屏障能力的系统可以在低、非致死剂量下捕获分子反应。然而，实验室间评估 later 警告说，ALI终点的可重复性仍然存在变异，即使先进的3D构建体也可能在 realistic 暴露下错过细微的基因毒性效应。这些研究表明，纳米颗粒的基因毒性不能简化为单一决定因素：氧化应激、修复激活不足和表观遗传失调都参与其中，而改进的建模通过引入 realistic 的沉积和组织屏障，缓和了表观危害。

钴（Cobalt）

从描述性发现到机制清晰度的演变在研究钴纳米颗粒的轨迹中得到很好体现。早期研究表明含钴颗粒可损伤人体细胞DNA。这些报告表明钴金属、碳化钨钴和氯化钴在分离的人淋巴细胞中引起DNA链断裂并抑制修复， later 的工作将这些发现扩展到纳米尺度钴系统，在人支气管和白细胞模型中观察到氧化DNA损伤和染色体异常。尽管方法学有限，这项早期工作引入了钴颗粒在纳米形态下通过氧化和干扰修复机制具有内在基因毒性潜力的概念。

后续研究将这些观察精炼成一个专注于钴氧化物（特别是Co₃O₄）的机制框架。这些钴氧化物纳米颗粒在人肝细胞和呼吸模型中都引发了细胞毒性和基因毒性，氧化应激是统一的介质，离子钴的贡献极小。 across 这些研究，钴氧化物产生很少的明显细胞毒性，但具有清晰的氧化和基因毒性效应，与“特洛伊木马”机制一致，即细胞内颗粒摄取和局部溶解产生活性钴离子，从而损伤DNA。在亚细胞毒性条件下，在支气管上皮细胞中观察到单链DNA断裂，暗示ROS是基因毒性的直接驱动因素。 collectively，这一阶段的研究标志着从描述钴诱导的DNA损伤转向解释理化特性（尤其是溶解性和细胞内溶解）如何决定细胞毒性和基因毒性之间的平衡。

当标准化比较测试显示钴金属和氧化钴（II）纳米颗粒在人肺上皮细胞中表现出显著的氧化和基因毒性活性，而氧化钴（II, III）尽管被有效内化，却产生可忽略的氧化应激或DNA损伤时，这一研究轨迹达到了一个清晰的拐点。这澄清了低溶解性可以限制钴离子释放，从而抑制可观察到的生物反应性。这一进展将钴纳米毒理学从一个识别基因毒性危害的描述性领域重新定义为一个能够区分何时以及为何钴氧化物纳米颗粒在细胞毒性极小的情况下仍引起氧化性DNA损伤的机制性学科。

呼吸系统

在工业和消费品中，纳米金属的气溶胶吸入预计将通过鼻腔或口腔发生，这是职业和环境毒理学中最相关和最早的暴露途径之一。大多数基于细胞的呼吸相关纳米金属效应建模集中在鼻、颊、支气管、气管和肺泡上皮细胞的毒物介导的致病效应上。职业或环境暴露（如焊接烟雾、枪械烟雾或其他弹道气溶胶）的化学成分分析常识别出一系列化学和金属成分供研究。研究表明煤飞灰中含有钛和铁纳米颗粒，枪械烟雾中含有铝、锑、钡、钙、铜、铁、钾、铅、硫、钠、锶、锡、锌、钨、镍、铁和钴。焊接烟雾产生铁、锰、镍、铬、钪、钒、钴、铜、铷、铌和铯的混合物，而室内燃烧源（如熏香和蚊香）则产生镉纳米颗粒。含铁和锰纳米颗粒的焊接烟雾在呼吸道上皮中引发强烈的细胞因子信号，特别是通过IL-8、TNF-α、IL-6、CCL2和HO-1，其中IL-8通常占主导地位；ZnO及相关金属氧化物纳米颗粒通过NF-κB和C/EBPβ依赖性转录及mRNA稳定机制引起 comparable 的IL-8上调，同时HO-1和金属硫蛋白的诱导作为金属氧化物细胞毒性的一般标志。总之，这些模型提示存在致癌性、上皮毒性和细胞毒性的风险。

呼吸上皮细胞模型的共同发现表明，金属纳米颗粒在不同程度上产生ROS并引起细胞毒性，其中ZnO、CuO和NiO观察到的效应最大。ZnO纳米颗粒已证明可改变免疫细胞的基因表达、诱导ROS、增加细胞因子信号和细胞毒性。ZnO细胞毒性的 implicated 机制与细胞内溶解有关，后者导致锌离子稳态破坏、线粒体功能障碍和凋亡；其他机制包括抑制线粒体复合物I和II、改变线粒体裂变和融合蛋白表达、ROS和NF-κB激活NLRP3炎症小体，以及与肺表面活性物质成分（如二棕榈酰磷脂酰胆碱DPPC）的相互作用，DPPC会增加ZnO纳米颗粒引起的膜损伤。在支气管上皮和肺泡细胞模型中对TiO₂、金（Au）、钯（Pd）、铅卤化物钙钛矿、铁（Fe）和锰（Mn）的研究也 similarly 证明了ROS的诱导和细胞毒性。在肺泡细胞中，暴露于ZnO、NiO和碳化钨钴（WC-Co）纳米颗粒的模型可证明凋亡的诱导。

TiO₂作为一种普遍的增白颜料无处不在，并广泛用于催化和光催化应用，如水和空气过滤以及自清洁表面。关于TiO₂呼吸毒性的模型存在矛盾， several 研究未能在不同浓度和各种细胞系中证明细胞毒性或微核基因毒性标志物。然而，暴露于TiO₂的肺泡和支气管模型显示组蛋白去乙酰化酶9（HDAC9，一种表观遗传修饰因子）的表达改变，并且ROS的产生、细胞毒性、谷胱甘肽产生和DNA双链断裂受TiO₂团聚状态、毒性更强的纳米纤维而非纳米颗粒的存在、或锐钛矿或金红石结构的主导地位影响。与肺表面活性物质的相互作用是一个关键因素，因为像DPPC这样的成分已被证明可以包覆银纳米颗粒，改善其分散性并延迟有毒离子的释放。鸟枪法蛋白质组学（一种高通量质谱技术，用于从复杂混合物中识别和量化蛋白质）已确定一种潜在机制为蛋白质磷酸化位点的失调，随后影响DNA修复和细胞周期调控、自噬、细胞骨架结构和动力学、细胞运输、RNA动力学，其中p53扮演核心角色。

上皮屏障完整性，正如在基因毒性研究中一样，是体外纳米颗粒行为的核心决定因素，它不仅影响表观毒性，也影响实验结果向人类风险的外推。屏障状态不仅影响颗粒摄取和易位，还影响对下游效应（如炎症、氧化应激和细胞活力）的解释。现代呼吸模型越来越通过先进体外系统强调这一点，这些系统再现了气液界面（ALI），允许在生理相关条件下发生纳米金属气溶胶暴露。这些系统表明，沉积动力学、溶解和离子转化与浸没单层培养相比存在显著差异，导致在 realistic 剂量下表观毒性较低。方法学的改进，包括静电沉积、动态流动暴露和屏障成熟方案，使得能够更接近体内气道沉积，同时强调了血清和蛋白冠在调节纳米颗粒反应性中的作用。多参数方法进一步阐明，蛋白质吸附和细胞因子结合可能混淆浸没 assays 中的表观炎症结果， reinforcing 需要综合评估细胞内、分泌和转录终点。 collectively，这些研究标志着从简化的细胞毒性 assays 转向能够区分纳米材料直接效应与屏障破坏或离子介导应激相关次要现象的具有屏障能力的试剂。

随着这些建模进展的确立，当前研究已转向屏障丧失本身的后果，检查紧密连接和粘附连接的破坏如何改变呼吸通透性并允许纳米颗粒易位进入系统循环和靶器官。以这种方式丧失屏障完整性，独立于细胞毒性和改变的基因表达，已在银（Ag）和钨（W）纳米颗粒以及TiO₂中得到证明。值得注意的是，纳米零价铁（nZVI）和ZnO纳米颗粒诱导的细胞膜完整性丧失通过内皮细胞的炎症反应发生，并与ROS产生、细胞毒性和细胞因子信号传导同时发生。紧密连接的破坏与多种特应性和炎症性疾病状态（如哮喘、特应性皮炎和炎症性肠病）相关。然而，上皮屏障完整性的丧失并非 across 所有模型的一致发现；一个用于银纳米颗粒的三维支气管上皮模型（Calu-3）并未破坏上皮屏障或诱导细胞毒性。这些进展通过将注意力从孤立的细胞毒性终点转向屏障依赖的损伤和修复机制，重新定义了呼吸纳米毒理学。

呼吸反应的另一个关键决定因素是衬覆肺泡和气道的肺表面活性物质层。这个脂蛋白界面控制着纳米颗粒的分散、溶解和细胞接触，但其对毒性的影响仍然取决于具体情境。天然表面活性物质混合物可通过限制离子释放来减弱银纳米颗粒的细胞毒性，而其他配方则未能抑制银纳米线的氧化或炎症效应。在某些情况下，单一表面活性物质成分（如DPPC）甚至加剧氧化应激和细胞因子信号传导。对于ZnO纳米线，表面活性物质涂层延迟了早期细胞死亡，但增加了摄取并延迟了毒性。这些发现说明，肺表面活性物质相互作用是纳米颗粒行为的关键但可变的调节因子，并且将这一界面的生化和生物物理复杂性忠实地整合到先进气道模型中，仍然是呼吸纳米毒理学中持续的方法学局限。

上皮-间质转化（EMT）是一种细胞程序，上皮细胞在此过程中失去极性和粘附，获得对纤维化和重塑至关重要的迁移性和成纤维细胞样特征。纳米颗粒暴露可通过氧化应激和DNA损伤介导的8-氧代鸟嘌呤DNA糖基化酶1（OGG1）碱基切除修复通路激活诱导EMT。来自催化转换器的钯（Pd）纳米颗粒和铅钙钛矿都通过TGF-β1信号传导在支气管上皮细胞中触发EMT，暗示EMT失调在纤维化和结构性肺病中的作用。未包覆的CeO₂纳米颗粒（24小时内超过80%被肺上皮细胞内化）直接刺激人肺成纤维细胞中的胶原合成和成纤维细胞结节形成——这些效应可通过二氧化硅包覆作为安全设计（safety-by-design）措施来减轻。含钛和铁的化妆品气溶胶将超细颗粒沉积在气管支气管区域，与等效剂量的原始钛或铁纳米颗粒相比，暴露产生更大的氧化应激和8-氧代鸟嘌呤DNA损伤积累。 beyond 上皮效应，ZnO和CuO纳米颗粒通过非ROS生物力学机制减弱气道平滑肌收缩性，提示纳米金属暴露在呼吸功能障碍中具有更广泛的作用。结合上下文考虑，这些发现表明，纳米颗粒在呼吸道中的毒性 less 来自尺寸 alone，而是来自重编程上皮和间质区室的持续性氧化和信号传导 disruption。

暴露测量

理解纳米颗粒毒性需要考虑暴露阶段、颗粒化学和 realistic 剂量。如前所述，大多数体外研究使用浸没细胞培养；然而，这些系统并不能完全复制气溶胶与气道表面相互作用的方式。在等效质量剂量下的比较表明，以气溶胶形式输送的ZnO纳米颗粒比悬浮液更早产生氧化和炎症反应（峰值效应在4小时而非24小时），但总反应幅度 later 趋同，表明液体系统延迟但并不能防止细胞损伤。空气中的化学转化进一步影响毒性：被酸性或有机膜包覆的磁铁矿纳米颗粒比未包覆的形式释放更多可溶性铁，并引发更强的氧化和细胞因子反应。大气过程，而不仅仅是成分或尺寸，决定了生物活性。

受控人体吸入研究定义了机制数据与职业暴露之间的界限。吸入0.5 mg/m³的ZnO未产生可测量的全身或呼吸效应。后续工作证明了在0.5-2 mg/m³的纳米ZnO范围内存在浓度依赖性炎症反应，在1 mg/m³及以上时，中性粒细胞和急性期蛋白显著增加，定义了短暂全身效应的较低阈值。 later 在2