纳米毒理学二十年：演变、影响与未来挑战

《ACS Omega》：Two Decades of Nanotoxicology: Evolution, Impact, and Future Challenges

　　

纳米技术（nanotechnology）的快速扩张，拥有超过11,100种产品和100,000项专利，已引发对生物体和生态系统的安全担忧。纳米毒理学（nanotoxicology）源于20世纪90年代的超细颗粒研究，并于2004年正式确立。本综述综合了从220篇文献中筛选出的约160篇出版物和监管文件，分析了该领域从2004年至2025年的演变。早期研究聚焦于医学中的纳米结构及其对器官和组织的影响，推动了旨在降低风险的研究。当前研究日益关注纳米结构毒性的分子机制，这些机制源于物理化学性质（physicochemical properties）、暴露条件、生物转化和环境归趋（environmental fate）之间的动态相互作用。研究范围已超越人类健康，扩展至评估长期环境影响。人工智能和机器学习（artificial intelligence and machine learning, AI/ML）已能够建立将物理化学性质与毒理学结果相关联的预测模型，尽管其可靠性仍受限于数据集的异质性、有限的外部验证以及过拟合。文献计量分析显示，出版高峰出现在2014–2016年左右（>380篇/年），随后在2023–2024年下降，2025年部分恢复，反映了研究向纳米安全性（nanosafety）、安全性设计（safety-by-design）、纳米生态毒理学（nanoecotoxicology）和基于AI的预测等方向的分化。标准化协议、统一数据集和全球公认的安全暴露限值仍尚未实现。未来进展取决于整合生物学和环境相关模型、稳健的计算方法以及协调一致的监管框架，以推动可持续纳米技术（sustainable nanotechnology）的发展。

纳米毒理学二十年：演变、影响与未来挑战——基于文献综述的论文解读

**研究背景与问题**

自2000年至2025年，纳米技术（nanotechnology）的快速发展催生了超过11,100种产品和100,000项专利，纳米材料（nanomaterials）在医药、电子、食品、农业和化妆品等领域广泛应用。然而，这些材料因其高比表面积和量子效应而具有独特的物理化学性质，可能通过吸入、摄入和皮肤接触等途径对人体产生不良影响，尤其是对中枢神经、循环、胃肠和呼吸系统。纳米毒理学（nanotoxicology）于1990年代从超细颗粒研究演化而来，2004年正式确立为独立学科。尽管已有大量研究，但该领域仍面临诸多挑战：纳米材料的高度异质性导致毒理学实验难以标准化，传统体外模型无法准确模拟体内复杂相互作用，长期效应和生物累积数据匮乏，且缺乏统一的暴露限值和监管框架。现有知识分散于物理化学表征、生物相互作用、毒性机制、环境影响、监管评估和预测建模等多个独立领域，研究者难以整合不同研究结果以确保纳米材料全生命周期的安全性。因此，需要一篇综合性的综述来连接历史演变、暴露表征、机制毒理学、环境风险、监管科学和计算方法，以提供更全面的视角。本论文发表在《ACS Omega》。

**技术方法概述**

研究人员采用叙述性文献综述方法，而非系统性综述，以涵盖纳米毒理学研究的广度与跨学科性。文献检索主要通过CAPES期刊门户（2024），访问Web of Science、Scopus、ScienceDirect等数据库，并辅以Google Scholar及关键文献的参考文献列表。检索关键词组合包括“nanotoxicology”、“nanosafety”、“nanomaterial toxicity”、“biodistribution”、“ADME”、“protein corona”、“environmental fate”、“ecotoxicology”、“risk assessment”、“regulation”、“nanoinformatics”、“artificial intelligence”和“machine learning”，并适当使用布尔运算符。研究人员从220篇初步筛选的出版物和监管文件中，依据主题相关性、方法学贡献和历史意义，最终选定161篇进行定性综合分析。文献按时间顺序和主题类别（如暴露评估、生物分布与ADME、毒性机制、蛋白质冠、环境归趋与生态毒理学、监管发展、AI/ML预测方法）进行组织，从而识别关键科学进展、方法学趋势和优先领域的变化。

**研究结果**

**暴露于纳米材料**：研究人员通过文献综述指出，人类和环境暴露于工程纳米材料（engineered nanomaterials）的途径包括皮肤渗透、摄入和吸入，职业暴露最为显著，但消费者暴露也至关重要。暴露浓度不直接等于生物有效剂量，粒子数量和比表面积可能比质量浓度更相关。

**第一个十年（2004–2014）**：早期研究主要关注量子点（quantum dots, Qds）、碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs）和二氧化硅纳米颗粒，发现毒性强烈依赖于尺寸、形状、表面修饰及残留金属杂质。例如，Kagan等（2006）证明铁含量高的碳纳米管通过催化氧化应激（oxidative stress）产生细胞毒性；Ryman-Rasmussen等（2006）发现量子点可穿透完整皮肤；Singh等（2006）显示功能化碳纳米管可通过肾脏排泄。这些研究揭示了纳米结构可累积于器官、诱导细胞毒性并触发氧化应激，且生物可降解或功能化纳米结构毒性较低。Keck和Müller（2013）提出了基于尺寸和生物降解性的纳米结构分类系统（Classes I–IV）。

**第二个十年（2015–2024）**：研究重点转向分子和系统机制，包括吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程，以及长期生物和环境影响。**细胞毒性检测**方面，传统MTT法和刃天青法可能受纳米材料干扰，而xCELLigence实时阻抗技术及三维（3D）细胞培养模型（如球体、类器官）能更准确模拟体内环境。**氧化应激评估**显示，活性氧物种（ROS）的产生与纳米材料表面过渡金属（如Ag、Cu、Fe、Zn）催化Fenton和Haber–Weiss反应、光催化活性、线粒体电子传递链干扰及NADPH氧化酶激活有关；蛋白质冠（protein corona）的形成可显著改变ROS生成和毒性，如表2所示，血清蛋白冠通常降低ROS和细胞毒性，但某些情况下反而增加毒性。**物理化学性质、吸收与分布**方面，粒径、形状、表面电荷和涂层决定纳米材料的生物分布，肝脏、脾脏、肾脏和脑是主要累积器官；Poon等（2019）发现<5.5 nm的颗粒可经肾脏清除，而更大颗粒通过肝胆途径排泄。**涂层与蛋白质冠**：蛋白质冠自发吸附于纳米材料表面，改变其生物行为，多数情况下降低毒性，但有时增强溶解或免疫原性而增加毒性。**环境与农业毒性**：纳米材料可对植物产生直接或间接的基因毒性，且颗粒越小毒性越大；在水生生态系统中，纳米材料可通过食物链传递，如聚苯乙烯纳米颗粒从藻类到鱼类的营养转移导致代谢和行为改变。**预测毒性模型**：人工智能和机器学习（AI/ML）方法，如随机森林、支持向量机、梯度提升等，被用于构建QSAR/QSTR模型，预测细胞毒性和ROS生成，识别关键描述符（如粒径、ζ电位、带隙）；但数据异质性、有限外部验证和过度拟合仍是主要挑战。

**当前挑战与研究空白**：多数毒理学研究在简单培养基中进行，与实际环境浓度（可能低至痕量级）不符；慢性暴露研究不足；缺乏标准化测试协议，阻碍比较和重复性；环境转化（如溶解、硫化、老化）复杂且难以预测。研究人员提出一个五步框架：第一步，物理化学表征（DLS、电子显微镜、ζ电位）；第二步，3D细胞培养模型；第三步，大鼠体内急性/慢性毒性试验（静脉注射）；第四步，环境归趋和生物降解性评估；第五步，AI/ML整合数据建立预测模型。该框架强调暴露途径、剂量和持续时间应反映环境相关场景。

**纳米毒理学在纳米技术监管中的重要性**：全球尚无统一的纳米技术产品法规；欧盟和美国采用个案评估，但缺乏标准化方法。ISO和OECD制定了多项测试指南（如TG 124、125、318），但安全暴露限值尚未建立。以二氧化钛（TiO₂，E171）为例，欧洲食品安全局（EFSA）基于纳米特定风险评估禁止其作为食品添加剂，而美国FDA和加拿大卫生部则认为安全，凸显了监管分歧。未来需要整合安全性设计（safety-by-design, SSbD）和可持续创新方法（SSIA），并加强国际合作。

**总结与讨论**

研究人员在“Final Considerations”部分总结了关键见解：（i）粒径显著影响毒性，较小纳米结构通常反应性更强；（ii）生物可降解纳米结构更易被生物系统识别和耐受；（iii）用生物相容性聚合物（如聚乙二醇PEG）功能化可降低不良效应；（iv）蛋白质冠动态改变纳米材料的生物身份，影响其生物分布、细胞相互作用和毒性；（v）纳米结构可在植物和水生生物中生物累积，促进营养级转移；（vi）环境转化和营养级转移显著影响纳米材料的持久性、生物可利用性和生态风险。未来需要采用生理相关的生物系统，应用环境或消费者暴露的真实剂量，并考虑慢性暴露；纳米结构应在整个研究过程中持续表征。AI/ML工具须基于高质量、标准化数据集，以支持可靠毒性评估和全球监管框架的建立。通过整合学术界、工业界和监管机构的努力，可实现更安全的纳米材料和更协调的风险评估策略。