锑微/纳米颗粒在模拟体液中的归趋与行为定量研究

《Nanomaterials》：Quantitative Investigation of the Fate and Behavior of Antimony Micro/Nanoparticles in Simulated Body Fluids

　　

锑微/纳米颗粒(Sb MNPs)是环境中的关键锑物种，通过吸入、摄入和皮肤接触进入人体，构成潜在健康风险。其跨多种锑物种的复杂转化阻碍了准确定量，导致其体内转化机制尚不清楚。在本研究中，研究人员建立了体外呼吸道、胃肠道和汗液模型来研究Sb MNP生物转化，并胃肠道模型结合了人类粪便悬浮液以更好地模拟体内条件。转化动力学显示，模拟胃液将Sb₂O₃、Sb₂S₃和Sb₂O₅ MNPs溶解为离子锑，不改变价态，而锑离子保持在低水平。胃来源的Sb(III)在肠道阶段被氧化为毒性较低的Sb(V)。在模拟汗液中，Sb(III)浓度增加但仅占总暴露的1.75%，表明皮肤风险低。值得注意的是，Sb₂O₃ MNPs在模拟肺液中表现出不稳定性，尤其是在人工溶酶体液(ALF)中，溶解的Sb(III)达到1276.7 μg/L，离子释放率为63.8%。ALF的低pH和与柠檬酸盐、乳酸和Cl^?形成稳定可溶性复合物可能驱动Sb₂O₃溶解，提示高吸入风险。该研究推进了Sb MNP生物转化的定量理解，从而为人类健康风险评估提供支持。

论文解读：锑微/纳米颗粒在模拟体液中的转化行为与健康风险评估

**研究背景与科学问题**

锑及其化合物在环境中广泛分布，来源于自然风化、矿业活动及含锑产品的生产与使用，并通过大气扩散、干湿沉降和水体运输实现全球传播。锑微/纳米颗粒(Sb MNPs)是环境中锑的主要存在形式，在高浓度的大气颗粒物、土壤和水系统中均有检出，可通过吸入、摄入和皮肤接触进入人体，构成慢性暴露风险。毒性研究表明，锑及其化合物具有遗传毒性和潜在致癌性，其中Sb(III)的毒性约为Sb(V)的10倍，而Sb(V)是氧化环境中的优势物种。尽管世界卫生组织设定了饮用水中锑的指导值为20 μg/L，但Sb MNPs在体内的复杂转化过程，如聚集、离子释放、再沉淀及Sb(III)/Sb(V)氧化还原转化，导致其准确定量困难，体内转化机制尚不明确。现有研究多聚焦于溶解态或有机结合态锑，对Sb MNPs在人体中的转化行为缺乏系统研究。此外，动物模型在生理结构和基质成分上与人存在差异，且难以连续监测转化过程，受伦理和成本限制。因此，开发体外模拟方法，定量揭示Sb MNPs在人体暴露途径中的转化规律，对于准确评估其健康风险至关重要。

**研究内容与结论**

研究人员建立了模拟人体呼吸道、胃肠道和皮肤暴露途径的体外模型，包括模拟唾液(SS)、胃液(SGF)、小肠液(SSIF)、结肠液(SCF)、肺液(Gamble液GS和人工溶酶体液ALF)和汗液(SW)，并构建了模拟人类肠道微生物生态系统(SHIME)以重现全消化道过程。研究以Sb₂O₃、Sb₂S₃和Sb₂O₅ MNPs及Sb(III)和Sb(V)离子为对象，利用液相色谱-电感耦合等离子体质谱(LC-ICP-MS)和单颗粒电感耦合等离子体质谱(sp-ICP-MS)定量监测转化动态。主要结论包括：模拟胃液可将三种Sb MNPs溶解为离子态，但不改变其原始价态；小肠阶段将大部分Sb(III)氧化为毒性较低的Sb(V)；汗液对Sb MNPs的溶解能力极弱，离子释放率低于1.75%，表明皮肤暴露风险低；然而，在模拟肺液中，尤其是ALF中，Sb₂O₃ MNPs表现出显著不稳定性，溶解的Sb(III)浓度达1276.7 μg/L，离子释放率高达63.8%，提示吸入暴露风险较高。研究还发现，Sb MNPs的转化具有器官依赖性，且肠道微生物可能参与其中，但具体贡献未直接验证。该研究发表于《Nanomaterials》，为Sb MNPs的定量风险评估提供了关键科学依据。

**主要技术方法**

研究采用耦合LC-ICP-MS和sp-ICP-MS技术，实现了Sb(III)和Sb(V)的分离与定量，检测限分别为0.14 μg/L和0.05 μg/L，并用于颗粒态Sb的尺寸和数量浓度测定，尺寸检测限约42 nm。体外模型严格模拟生理条件，呼吸道模型包括GS和ALF，胃肠道模型采用SHIME系统，包含人类粪便悬浮液以模拟肠道微生物群落；汗液模型用于皮肤暴露评估。所有实验在无菌条件下进行，样品经0.22 μm膜过滤和超声辅助提取处理，以区分游离离子和颗粒态物种。

**研究结果**

**3.1 定量分析方法建立**

通过高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)和能谱(EDS)表征了Sb MNPs的形貌和元素组成，确认了Sb₂O₃、Sb₂O₅和Sb₂S₃的晶体结构。LC-ICP-MS实现了Sb(III)和Sb(V)的基线分离，线性良好(R² > 0.999)，满足常规分析需求。sp-ICP-MS方法有效区分了颗粒信号与背景噪声，确认了对Sb MNPs的定量能力。

**3.2 典型模拟体液中的转化动力学**

在模拟消化液中，Sb₂O₃ MNPs释放的游离离子浓度总体较低，但SS和SGF中Sb(III)呈持续上升趋势；SSIF和SCF中，初始24小时离子浓度极低(<5 μg/L)，48小时后显著增加，尤其Sb(V)，可能由蛋白酶等基质组分侵蚀颗粒表面并促进氧化所致。在模拟肺液中，ALF中Sb(III)释放迅速，48小时达1276.7 μg/L，释放率63.8%，归因于低pH和有机配体(如柠檬酸盐、乳酸和Cl^?)的络合作用；GS中释放较低。模拟汗液中，Sb(III)最大浓度仅35 μg/L，占总暴露的1.75%，表明皮肤风险低。颗粒态Sb浓度在SSIF中最高，可能因再沉淀和盐析效应，而其他体液因低pH溶解或固体基质吸附而保持低水平。

**3.3 SHIME系统中的转化行为**

在SHIME系统中，五种Sb物种分别经唾液、胃液、小肠液、升结肠液、横结肠液和降结肠液顺序孵育。胃液导致Sb₂O₃、Sb₂S₃和Sb₂O₅部分溶解，价态不变；小肠阶段将大部分胃源Sb(III)氧化为Sb(V)，可能由溶解氧和氧化性生物分子介导；结肠阶段，Sb(III)和Sb(V)浓度均下降，因固体组分吸附而降低了游离离子水平。颗粒态Sb浓度在唾液阶段最高，胃液因低pH促进溶解而显著下降，小肠液因pH升高导致再沉淀而增加，结肠阶段因吸附减少。SHIME系统提示肠道微生物可能参与转化，但未独立验证。

**讨论与结论**

研究结果表明，Sb MNPs的转化具有显著的器官依赖性：胃液促进溶解而不改变价态，肠液氧化Sb(III)为低毒Sb(V)，汗液风险低，而肺液尤其ALF是高风险转化场所。机制上，低pH和配体络合驱动Sb₂O₃溶解。研究局限包括体外系统简化、单一暴露浓度和缺乏直接毒性测量，但为Sb MNPs的转化机制提供了定量视角，并支持健康风险评估。该研究的方法学可用于其他纳米颗粒的生物转化研究，具有重要参考价值。