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为探究三种不同二氧化钛纳米颗粒（NM - 103、NM - 104、NM - 105）的肺部毒性差异，相关研究人员开展 28 天吸入毒性研究。结果显示 NOAEC 为 3mg/m3 ，毒性排名 NM - 104＞NM - 103＞NM - 105。该研究对评估 TiO? NPs 安全性意义重大，推荐一读！
在现代生活中，纳米材料可谓无处不在，而二氧化钛纳米颗粒（TiO? NPs）更是其中的 “明星”。它就像一个多面手，在染料、防晒霜、织物、化妆品，甚至食品中都能看到它的身影。不过，这个 “多面手” 也引发了科学家们的担忧。虽然一些 TiO?粉尘在毒理学研究中常被当作阴性对照，因为只有在极高剂量下才会引起肺部明显变化，但纳米级别的 TiO?却似乎有着不一样的 “脾气”。
研究发现，纳米级 TiO?比微米级的同化学物质具有更强的毒性，而且它在肺部的停留时间更长。这是因为其特殊的性质，使得颗粒更容易进入间质。同时，它的毒性似乎与基于表面的给药方案有关，而不是基于质量的给药方案。也就是说，保留的表面积（保留质量乘以比表面积）可能更能决定其毒性结果。
不仅如此，TiO? NPs 的晶体结构、表面性质、团聚状态等都会影响它的毒性。比如，锐钛矿型晶体结构的 TiO?似乎比金红石型更具毒性，表面修饰也能明显改变其肺毒性。另外，疏水性纳米颗粒虽然在肺泡液中分散困难，但却更容易穿透细胞膜和核孔；相比之下，带正电的纳米颗粒更容易被细胞摄取，甚至能破坏溶酶体导致细胞死亡。
尽管已经有一些研究对不同 TiO?颗粒修饰进行了比较，但到目前为止，还没有在 28 天的吸入试验中，对具有不同表面化学和晶体结构的三种颗粒，针对纳米颗粒特异性终点进行系统研究。为了填补这一空白，来自相关研究机构的科研人员在《Part Fibre Toxicol》期刊上发表了一篇名为 “Comparative 28-day inhalation toxicity study of three different titanium dioxide nanoparticles in Wistar rats” 的论文。他们通过研究发现，三种不同的 TiO? NPs 在呼吸道的毒性并没有明显差异，无观察到不良影响浓度（NOAEC）均为 3 mg/m3，不过基于多形核中性粒细胞的流入情况，毒性排名为 NM - 104＞NM - 103＞NM - 105 。这一研究结果对于评估 TiO? NPs 的安全性具有重要意义，为相关领域的研究和应用提供了关键参考。
为了开展这项研究，科研人员使用了多种技术方法。他们从欧洲委员会联合研究中心纳米材料库订购了编码为 NM - 103、NM - 104 和 NM - 105 的三种 TiO? NPs 样品。实验选用雄性 Wistar 大鼠，让它们通过鼻吸入的方式，暴露在不同浓度（3、12 和 48 mg/m3）的 TiO? NPs 气溶胶中 28 天，同时设置吸入清洁空气的对照组。实验结束后，科研人员根据 OECD 412 指南，对大鼠进行多项检测，包括支气管肺泡灌洗液（BALF）分析、组织学检查、肺、肝和脑的化学分析等。此外，还利用透射电子显微镜（TEM）和图像分析技术，研究颗粒在体内的分布行为。
下面让我们来看看具体的研究结果。在实验过程中，所有大鼠都顺利度过了暴露期，而且各浓度组的大鼠对暴露的耐受性都很好。在整个实验期间，没有观察到超出正常范围的临床症状，不同组之间的体重也没有显著差异。同时，在尸检时发现，包括肝脏、肾脏等在内的多个器官的湿重，与对照组相比也没有明显不同。
绝对和相对湿肺重量：研究人员发现，所有三种 TiO?处理组的肺绝对和相对湿重都呈现出浓度依赖性增加。在中等暴露浓度组中，NM - 103 的绝对肺重和 NM - 103、NM - 104、NM - 105 的相对肺重有统计学意义的增加；在高暴露浓度组中，所有处理组的绝对和相对肺重都显著增加。不过，在 94 天的无暴露期后，中等暴露浓度组的肺重恢复到了对照组水平，而高暴露浓度组的肺重仍然显著高于对照组。这一结果表明，TiO? NPs 的暴露会对肺重产生影响，而且高浓度暴露的影响更为持久。
分析支气管肺泡灌洗液（BAL）
- 乳酸脱氢酶、β - 葡萄糖醛酸酶和总蛋白：科研人员对 BALF 中的多种指标进行了检测。结果发现，低暴露组的三种 TiO? NPs 都没有使乳酸脱氢酶、β - 葡萄糖醛酸酶或总蛋白水平升高。在中等暴露浓度下，NM - 103 和 NM - 104 组的乳酸脱氢酶和总蛋白水平在暴露后第 3 天显著增加，但随着无暴露期的延长，到第 45 天和 94 天，大部分指标都逐渐恢复到对照组水平，只有 NM - 104 组在第 45 天仍有部分指标显著高于对照组。而在高暴露浓度组，除了 NM - 104 组的 β - 葡萄糖醛酸酶在 94 天外，其他指标在 94 天内都显著增加。此外，通过统计分析还发现，暴露水平对这三个测量参数有显著影响，而且不同 TiO? NPs 之间在不同时间点也存在一些显著差异。这说明不同浓度的 TiO? NPs 对肺部细胞的损伤程度不同，且这种影响会随着时间发生变化。
- 细胞分类计数：对 BALF 中的细胞进行分类计数后发现，暴露后第 3 天，NM - 103 和 NM - 104 中等暴露组的白细胞浓度显著增加，而 NM - 105 组没有明显变化。不过，在 45 天和 94 天的无暴露期后，这些值都与对照组相当。在高暴露组，白细胞浓度在第 3 天强烈增加，并且一直持续到第 94 天。在低暴露浓度组，NM - 105 导致的多形核中性粒细胞（PMN）数量与清洁空气对照组相似，而 NM - 103 和 NM - 104 则引起了轻微炎症，PMN 比例有所上升。在中高暴露浓度组，所有三种 TiO? NPs 在各个时间点的 PMN 数量都显著增加。通过比较不同 TiO? NPs 的 PMN 值，发现不同组之间在不同时间点存在显著差异。总体来看，NM - 105 处理的动物在中等暴露浓度下，支气管肺泡灌洗液中的白细胞和 PMN 数量较少，炎症反应较弱。这表明不同的 TiO? NPs 引发的炎症反应程度不同，NM - 105 相对来说炎症反应较弱。
- 活性氧中间体：研究人员还检测了肺泡巨噬细胞分泌的活性氧中间体（ROIs）。结果发现，用酵母聚糖刺激后，所有组的肺泡巨噬细胞都能显著分泌 ROIs，包括对照组。在第 3 天，只有 NM - 104 的中高暴露浓度组的 ROI 分泌显著增加，而 NM - 103 和 NM - 105 组没有明显变化。在 45 天和 94 天的无暴露期后，所有组都没有显著增加。这说明在暴露初期，NM - 104 可能会引发更强的氧化应激反应，但随着时间推移，这种反应会逐渐减弱。
靶器官和其他器官中测试物品的保留：科研人员利用 MPPD 模型预测了 TiO? NPs 在肺部的保留质量，结果显示低、中、高暴露浓度组在暴露后第 1 天的预测保留质量分别约为 0.3 - 1.1 - 4.4 mg / 肺。实际测量发现，在暴露后第 3 天，低暴露组的实际保留质量分别为 0.4、0.4 和 0.5 mg / 肺，中暴露组为 1.6、1.7 和 1.8 mg / 肺，高暴露组为 7.0、3.8 和 5.9 mg / 肺（分别对应 NM - 103、NM - 104 和 NM - 105）。除了 NM - 104 高暴露组由于 MMAD 值较高导致实际保留质量低于预期外，其他组的实际保留质量与模型预测结果相当吻合。在无暴露期，高暴露浓度组的肺部清除明显延迟，中暴露组部分延迟，低暴露组则是正常的生理清除。在肝脏中，虽然大部分大鼠检测到的 TiO?含量低于检测限，但在一些 NM - 104 和 NM - 105 高暴露组的大鼠肝脏中，还是检测到了一定量的 TiO?。而在大脑中，检测到的 TiO?含量普遍低于检测限。这表明 TiO? NPs 在体内的分布和清除情况与暴露浓度密切相关，而且在不同器官中的分布存在差异。
病理学：通过尸检和组织学检查，科研人员发现暴露对肺部和肺相关淋巴结有浓度依赖性影响。在肺部，高暴露组出现了白色变色区域，这反映了测试物品的浓度依赖性保留。同时，中暴露组的肺相关淋巴结轻度肿大，高暴露组则是中度到重度肿大。在组织学上，在肺、气管、鼻腔、喉部和肺相关淋巴结中都观察到了与吸入 TiO? NPs 相关的变化。例如，在这些部位都发现了载有颗粒的巨噬细胞，而且在肺部，载有颗粒的巨噬细胞主要位于肺泡内，部分在支气管相关淋巴组织和间质中。随着时间推移，载有颗粒的巨噬细胞会从肺泡转移到间质，同时在支气管相关淋巴组织和肺相关淋巴结中的负担也会增加。此外，还观察到间质单核细胞浸润、肺泡上皮 2 型细胞增生、肺泡内细胞外嗜酸性物质和粒细胞浸润等变化，但没有观察到肉芽肿性炎症或肉芽肿形成。而且，所有三种处理组的变化模式相似，只是在程度上存在一些细微差异。这说明 TiO? NPs 会在体内引发一系列的病理变化，虽然不同处理组的变化相似，但仍存在一些差异需要进一步研究。
组织切片的图像分析：对组织切片进行图像分析后发现，肺部的 TiO?含量呈现出浓度依赖性增加，而且在无暴露期会随着时间减少。在高暴露浓度组，不同 TiO? NPs 之间存在显著差异，NM - 104 的 TiO?含量较低，这与保留分析结果一致。在支气管相关淋巴组织（BALT）和肺相关淋巴结中，TiO?含量在无暴露期增加，且存在暴露浓度依赖性，但三种 TiO? NPs 之间没有显著差异。在对 BALF 的细胞涂片分析中，发现颗粒负载细胞的数量存在暴露浓度依赖性增加，且在无暴露期会减少。有趣的是，在高暴露组，高颗粒负载细胞的百分比在暴露后第 3 天到第 45 天显著增加，然后在第 45 天到第 94 天又下降。而且，NM - 105 低、中暴露组的高颗粒负载细胞百分比明显低于 NM - 103 和 NM - 104 组。这表明不同 TiO? NPs 在体内的分布和细胞摄取情况存在差异，这些差异可能与它们的毒性有关。
透射电子显微镜分析：透射电子显微镜测量发现，不同处理组的大鼠肺部主要是团聚的初级纳米颗粒。这些颗粒主要存在于肺泡巨噬细胞的细胞质内，少量游离在肺泡中、肺间质中以及 I 型肺泡细胞的细胞质内。随着暴露浓度的增加，肺泡和肺间质中的游离颗粒数量增加，而肺泡巨噬细胞和 I 型肺泡细胞中的颗粒比例减少。在无暴露期，肺泡巨噬细胞和肺间质中的颗粒数量增加，而肺泡和 I 型肺泡细胞中的颗粒数量减少。总体来说，NM - 105 处理组发现的颗粒比 NM - 104 处理组多，而 NM - 103 处理组的肺泡中游离颗粒百分比更高，肺泡巨噬细胞中的颗粒百分比更低。这进一步说明了不同 TiO? NPs 在肺部的分布和细胞摄取情况不同，这些差异可能影响它们的毒性作用机制。
综合研究结果和讨论部分，我们可以得出以下结论：由于在中（12 mg/m3）和高（48 mg/m3）暴露浓度下，所有三种 TiO?组都观察到了不良反应，所以三种测试物品的无观察到不良影响浓度（NOAEC）均为 3 mg/m3。研究成功实现了低、中、高暴露组分别达到无过载、部分过载和完全过载的预期条件。虽然三种 TiO? NPs 具有不同的表面化学和晶体结构，但它们在毒性方面并没有表现出明显差异。这意味着晶体结构和表面修饰的变化并没有显著改变它们与呼吸道生物结构的相互作用，毒性的主要驱动力可能是颗粒效应，而非表面性质。不过，基于多形核中性粒细胞的流入情况以及在中等暴露组中的显著差异，表明存在不良毒性效应，三种 TiO? NPs 的毒性排名为 NM - 104＞NM - 103＞NM - 105。
这项研究的意义重大。它为评估 TiO? NPs 的安全性提供了重要依据，让我们对不同类型的 TiO? NPs 在体内的行为和毒性有了更深入的了解。这不仅有助于相关企业在生产和使用 TiO? NPs 时，更好地控制风险，保障人们的健康和安全，也为后续的纳米材料毒理学研究奠定了基础，为进一步研究纳米材料与生物系统的相互作用指明了方向。
