《Discover Toxicology》：Endocrine gland specific mechanistic paradigms of toxicity induced by metallic nanoparticles
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纳米颗粒(NPs)凭借其微小尺寸和独特的物理化学性质，正日益广泛应用于农业、商业、工业及医学领域，引发了对其人体全身性健康效应的担忧。在各类易感系统中，内分泌腺已被确定为NPs毒性的关键靶器官。本综述重点阐述了金属纳米颗粒内分泌毒性涉及的机制，即氧化应激、炎症
纳米颗粒(NPs)凭借其微小尺寸和独特的物理化学性质，正日益广泛应用于农业、商业、工业及医学领域，引发了对其人体全身性健康效应的担忧。在各类易感系统中，内分泌腺已被确定为NPs毒性的关键靶器官。本综述重点阐述了金属纳米颗粒内分泌毒性涉及的机制，即氧化应激、炎症、细胞凋亡、激素合成与代谢紊乱等。实验证据表明，NPs可进入内分泌腺、模拟激素作用、与激素受体相互作用并干扰下游信号转导通路。NPs由此在内分泌腺(即甲状腺、甲状旁腺、胸腺、松果体、胰腺、肾上腺、胎盘及下丘脑-垂体轴)中诱导的特定效应已被文献记录。由于部分纳米颗粒确实表现出抗氧化特性或治疗潜力，其作为内分泌干扰物和治疗剂的双重角色导致了多样且复杂的生物学表现。本综述强调需要先进的实验模型，包括器官芯片系统和多组学方法，以更好地评估NPs诱导的内分泌干扰效应。综述得出结论，内分泌毒性对于纳米技术进入医疗保健、诊疗一体化、工业、商业及环境应用领域的风险评估和安全整合仍至关重要。
1 引言
所有尺寸小于100纳米的材料或颗粒均可定义为纳米材料或纳米颗粒(NPs)。依据其化学组成，可分类为有机纳米材料(如胶束、树枝状大分子、脂质体、纳米凝胶和聚合物NPs)和无机纳米颗粒(包括磁性NPs、金属NPs和金属氧化物NPs)。碳基纳米颗粒进一步分为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)、氧化石墨烯、富勒烯、碳纳米纤维及炭黑。NPs可呈现球形、椭圆形、立方体、棱柱形、螺旋形或柱状等多种形态，并以粉末、悬浮液或胶体形式存在。NPs可由单一材料或多种材料复合而成。其中许多材料已被确定为对人类、动物及生态系统健康具有潜在毒性。近期已有研究综述了NPs对人体神经系统、内分泌系统、免疫系统和生殖系统的毒性潜力，其在肝脏、肾脏、肺脏和性腺中的毒性亦有报道。内分泌系统不仅包括传统内分泌腺，还包含分散的神经内分泌细胞、胸腺、乳腺、前列腺、副神经节及肾上腺，这些均被发现易受NPs影响。NPs可通过一系列机制与内分泌系统相互作用：其主要通过释放金属离子来抑制核受体，以及模拟、阻断或干扰天然激素；亦可进入内分泌细胞并与激素受体结合，从而激活或抑制下游信号通路。尽管NPs的内分泌学表现曾未受到足够重视，但该课题近期已吸引大量研究。本综述旨在重点阐述NPs的内分泌毒性机制研究，即氧化应激、活性氧(ROS)、炎症、细胞凋亡及激素紊乱。鉴于已有大量关于NPs生殖毒性的优秀综述发表，本文不包含生殖系统相关内容。后续章节将按主题讨论NPs对甲状腺、甲状旁腺、胸腺、松果体、肾上腺、下丘脑-垂体轴、胰腺和胎盘的影响，并总体讨论其对激素的作用。
2 纳米颗粒在内分泌腺中的常见毒性机制
内分泌腺除分泌激素外，还维持神经和免疫系统的生理稳态，调节能量平衡、发育、生长和生殖。NPs通过不同机制对内分腺产生有益或有害影响。(i) NPs可与激素受体相互作用，从而激活或抑制下游信号通路，例如银和锌NPs可与雌激素受体结合并表达雌激素活性。(ii) NPs毒性最重要的机制是诱导氧化应激，ROS可造成细胞损伤并干扰信号通路。(iii) NPs已知可影响参与内分泌调节的酶和转运蛋白的功能。(iv) NPs可通过下丘脑-垂体-性腺轴及直接损伤睾丸细胞影响生殖功能。(v) NPs可激活先天免疫应答并诱导炎症细胞因子的表达。这些紊乱最终可能导致生殖失败和代谢综合征。然而，关于NPs内分泌效应的研究相对有限。本报告重点讨论金属纳米颗粒暴露对重要内分泌腺的潜在风险。
3 纳米颗粒的甲状腺-甲状旁腺毒性
在高等脊椎动物中，甲状腺由胚胎咽底壁的正中突出发育而来，以滤泡为主要功能单位，滤泡细胞分泌含有复杂碳水化合物单元(含多达四个硫酸基团)的甲状腺球蛋白。受尺寸、形状、表面积及其他物理化学性质影响，NPs经不同途径进入循环和淋巴系统，最终到达肝脏、肾脏、肺、大脑和内分泌系统等不同器官。实验证据表明，AgNPs、TiO2NPs、ZnO-NPs等金属纳米颗粒可在甲状腺中蓄积并引发结构和功能损伤。
3.1 TiO2NPs
近期研究报道，NPs通过活性氧(ROS)诱导氧化应激和炎症而影响甲状腺。钛纳米颗粒(TiO2NPs)的甲状腺毒性在体外和体内实验中亦归因于氧化应激。Gong等人报道，暴露于TiO2NPs(5 mg/kg，21天)的大鼠出现组织病理学改变，即滤泡细胞形态异常和上皮损伤。该研究推测TiO2NPs导致钠/碘转运体(NIS)表达降低、凋亡蛋白caspase-3水平升高以及促炎因子IL-1β和TNF-α浓度增加。体外结果显示滤泡细胞活力降低。
3.2 AgNPs
银纳米颗粒(AgNPs)影响蛋鸡甲状腺激素相关基因的mRNA表达。AgNPs不影响鸡血清T4水平，但升高血清T3浓度。作者得出结论，AgNPs诱导参与甲状腺激素(TH)代谢的组织特异性基因表达。此外，AgNPs可能通过影响脱碘酶和TH转运体MCT10 mRNA表达来影响TH代谢。不同剂量方案(12.5、25、50 mg/kg)和暴露持续时间(20和30天)对大鼠甲状腺结构和功能的影响亦有研究。作者证明长期暴露于AgNPs后甲状腺素浓度显著降低，并观察到甲状腺滤泡退行性变。有趣的是，生物合成AgNPs对大鼠实验性甲状腺功能减退具有治疗作用的报道亦已出现。AgNPs(17-35 nm)可升高甲减大鼠的T3和T4水平，且AgNPs处理后血清睾酮水平亦升高。
3.3 ZnONPs
锌纳米颗粒同样被发现对甲状腺具有毒性。Sakr和Steenkamp研究了ZnONPs(200 g/kg)对白化大鼠连续灌胃30天的氧化和遗传毒性效应，发现甲状腺素和促甲状腺激素(TSH)降低，并伴随组织病理学改变。另一项研究表明，ZnONPs(85 mg/kg)与醋酸铅(10 mg/kg)联合给药8周导致T3和T4降低、TSH升高、TNF-α升高及IL-4降低，且核因子E2相关因子2显著过表达。ZnONPs对雄性大鼠甲状腺激素和睾酮激素的影响亦有研究，暴露剂量和持续时间被发现是其毒性的混杂因素。降钙素是甲状腺分泌的另一种激素，目前尚无NPs对降钙素直接影响的研究，但NPs可能显著增强降钙素的生物利用度并延长其治疗效果，通过保护肽免受降解促进经胃肠道的药物递送。因此，涉及氧化应激、炎症、细胞凋亡及下丘脑-垂体-甲状腺轴紊乱的多重因素共同导致甲状腺毒性。
3.4 邻苯二甲酸酯类
微塑料和纳米塑料释放的多种添加剂和污染物，即邻苯二甲酸酯、双酚A(BPA)和多溴联苯醚(PBDEs)，被认为是确定的甲状腺干扰化学物(TDCs)。它们可通过胃肠系统进入人体并干扰甲状腺激素的分泌和代谢，进而影响其他器官，例如在发育早期阶段影响中枢神经系统。
3.5 内分泌干扰物
转录组学研究表明，NPs可干扰甲状腺球蛋白的合成，进而干扰Pax8和CREB基因的表达，这些基因对甲状腺的生长、分化和激素分泌至关重要。此外，双酚S和双酚F等内分泌干扰物可能干扰甲状腺激素信号通路，导致与下丘脑-垂体-甲状腺轴相关的基因表达改变，最终诱发甲状腺毒性。
3.6 纳米塑料
此外，微塑料和纳米塑料(MPs/NPs)可在甲状腺中表达毒性。研究表明MPs/NPs作为强效内分泌干扰物，尤其靶向甲状腺并干扰激素合成、转运及中枢调节轴，其可调节下丘脑-垂体-甲状腺轴。值得注意的是，关于NPs对甲状旁腺影响的研究仍然稀缺。MPs/NPs诱导的氧化应激可能促成甲状腺相关疾病，但它们在甲状腺功能减退和甲状腺功能亢进中的作用仍需进一步研究。
4 纳米颗粒的胸腺毒性
胸腺是免疫系统特化的初级淋巴器官，胸腺细胞(T细胞)在胸腺中成熟，对适应性免疫应答至关重要。人胸腺位于胸前上部前上纵隔，胸骨后方、心脏前方，由两叶组成，包括中央髓质和外周皮质，外被包膜，内含未成熟T细胞及辅助T细胞发育的上皮细胞。
4.1 AgNPs
银纳米颗粒已知可刺激免疫应答并促进白细胞介素-6(IL-6)等细胞因子释放，细胞因子水平升高是炎症的确立诱导因素。然而，高浓度时可诱导氧化应激和DNA损伤。近期已重点阐述了纳米颗粒触发免疫毒性的适宜机制。有报道表明AgNPs通过激活T辅助细胞并释放IL-6和TNF-α诱导炎症反应，该结果得到另一项研究的支持，显示AgNPs在肺上皮细胞系中表现出促炎和抗炎的双重效应。
4.2 ZnONPs
ZnONPs亦可激活人T细胞。有报道表明ZnONPs表现出杀死癌性T细胞的强大潜力，静息T细胞表现为抵抗性，而受刺激的T细胞显示出与NP激活水平呈反比的毒性，作者主要将此效应归因于ROS。ZnONPs经口给药白化大鼠后导致胸腺和脾脏均发生退行性改变，然而免疫组织化学染色显示抗PCNA阳性细胞数量减少、抗p53阳性细胞数量增加。摄入途径决定ZnONPs在大鼠内分泌腺中的分布。静脉注射30 mg/kg ZnONPs后，ZnONPs主要分布于肝脏、肾脏、肺和脾脏，胸腺、脑和睾丸中未记录到蓄积。对成年白化大鼠淋巴系统的研究表明，以200、400 mg/kg/天口服ZnONPs三个月后胸腺重量下降，并伴有组织病理学和超微结构改变。
4.3 其他纳米颗粒
镉及其纳米颗粒已知通过胸腺萎缩、关键T细胞(CD4+和CD8+)数量减少以及触发氧化应激和细胞凋亡对胸腺造成显著损伤，这些效应可能导致整体免疫应答改变，特别是产前暴露后。在小鼠中，CdONPs增加了胸腺CD3e+ CD8a+细胞百分比，并导致脾细胞增殖及趋化因子产生中度增强。氧化铅纳米颗粒亦可影响小鼠免疫应答，记录到CD3+和CD8+细胞百分比升高，表明免疫系统受到非预期刺激。镍纳米颗粒也被报道影响T细胞，根据其浓度和暴露时间触发免疫激活和抑制双重效应。纳米镍可刺激促炎细胞因子，促进T细胞活化及抗原提呈细胞成熟。TiO2NPs可根据剂量和其他因素对T细胞表达免疫刺激和细胞毒性双重效应：低剂量时通过激活初始CD4 T细胞诱导炎症，而高剂量时则可能导致细胞毒性。未来需要进一步研究以确定细胞因子在NP毒性中的参与。
5 纳米颗粒对松果体的影响
松果体的最重要功能是分泌褪黑素，该吲哚胺具有强抗氧化特性并节律性调控光敏物种的昼夜节律。NPs对松果体的直接和间接效应均有报道。NPs可损伤松果体并影响褪黑素分泌。有趣的是，负载褪黑素的NPs现在正被用于治疗目的激素递送。在金属NPs中，ZnONPs可通过ROS损伤大脑和松果体。Sruthi等人报道，褪黑素预处理反而增强了ZnONPs在C6胶质细胞中的毒性而非表达保护效应。此外，氧化铝和银纳米颗粒暴露已被证实可引起神经毒性和松果体功能障碍。载褪黑素纳米载体已在多种体内外条件下用作药物递送系统，与游离褪黑素相比，纳米材料包裹的褪黑素在对抗疾病和病理状态方面表现出更优疗效。褪黑素-纳米金药物复合物对睾丸疾病具有保护作用。另一项研究表明，褪黑素-钯复合物在人肺上皮腺癌细胞A549和H1299中诱导细胞毒性和凋亡。近期，通过钯纳米颗粒修饰的碳糊电极研究了褪黑素、多巴胺和对乙酰氨基酚的伏安法测定。进一步研究将有助于理解NP-褪黑素相互作用及其毒性或治疗挑战。
6 纳米颗粒与下丘脑-垂体轴的相互作用
大量纳米颗粒已知通过降低促性腺激素分泌来破坏垂体功能，进一步损害下丘脑-垂体-性腺轴功能。这些效应可能由氧化应激或氧化还原信号通路介导，最终导致生殖毒性。近期报道铜纳米颗粒可抑制雄性小鼠垂体促性腺激素分泌，LH和FSH分泌均受抑制并伴随垂体前叶退行性改变。NPs可干扰胶质细胞调节促性腺激素释放激素的能力，进而影响下丘脑-垂体-性腺轴，最终导致生殖毒性。少数情况下，NPs对垂体-性腺轴的跨代效应已有报道。碳酸锂纳米颗粒被发现影响雌性大鼠后代的垂体-性腺轴和垂体-甲状腺轴。女性生殖系统尤其是激素调节亦受纳米颗粒干扰。现已证实NPs可对整个下丘脑-垂体-性腺轴产生不利影响。
7 纳米颗粒对肾上腺的影响
肾上腺通过分泌甾体激素在维持生理稳态中发挥关键作用。虽然NPs对不同器官系统的毒性作用已较明确，但其对肾上腺的特定效应关注有限。NPs的吸收、分布、穿越生物屏障及最终生物蓄积易感器官并转化为结构和功能改变。肾上腺尤其易受NPs影响。NPs可激活下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)，导致促肾上腺皮质激素(ACTH)合成增加，这一激素激增转化为肾上腺的结构和功能改变。此外，NPs可影响肾上腺中甾体生成关键酶，即芳香化酶、5α-还原酶、CYP11A1、CYP11B1，这些酶对甾体激素生成至关重要。
7.1 AgNPs
特别地，AgNPs在大鼠中导致肾上腺皮质功能活动增强，并通过ATP耗竭、细胞骨架改变和ROS在大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤(PC12)细胞中诱导细胞毒性。AgNPs表达的急性应激及其对斑马鱼下丘脑-垂体-肾间腺轴(HPI)相关基因表达的影响已有研究，作者得出结论AgNPs抑制了对应激的皮质醇反应，这似乎是HPI轴转录组水平改变的结果。TiO2NPs的系统毒性已在实验动物中广泛研究，然而其内分泌效应仍了解甚少。在一项Sprague Dawley大鼠短期效应研究中，TiO2NPs被发现损害肾上腺皮质和髓质结构但无明显一般毒性。体外研究表明NPs易被肾上腺细胞摄取。在一项有趣的研究中，使用肾上腺皮质细胞系(MUC1、H295R和HAC15)及内皮细胞系(HUVEC)测试磁性氧化铁纳米颗粒作为药物载体的化疗潜力，两种细胞在10 μg/mL NP浓度下均显示显著的NP摄取。
7.2 纳米砷
纳米砷被认为是潜在的内分泌干扰物，据报道可诱导肾上腺肿瘤，并可导致氧化应激进而引起组织损伤、细胞凋亡和激素紊乱。NPs对肾上腺素或去甲肾上腺素的直接效应尚无报道，但可通过比色或电化学方法用作检测去甲肾上腺素含量的探针。
8 胰腺、胰岛素与纳米颗粒
(i) 少数研究报告了NPs对胰腺的负面影响，包括胰腺β细胞损伤、胰岛素分泌减少和碳水化合物代谢紊乱，这些效应主要归因于氧化应激、炎症和细胞凋亡。累积效应可能导致细胞和代谢功能障碍，潜在增加糖尿病风险。暴露于TiO2NPs导致成年雄性白化大鼠出现胰腺组织病理学和生化改变。(ii) 有趣的是，ZnONPs可恢复糖尿病大鼠的胰腺功能，有观点认为低剂量ZnONPs可保护β细胞免受氧化应激和细胞凋亡。实验证据强烈表明NPs在糖尿病管理和治疗方面具有巨大潜力。NPs在糖尿病患者胰岛素靶向递送中的角色是2型糖尿病管理中极受关注的问题。近期已有关于纳米颗粒在糖尿病治疗中作用的研究综述，结论表明含寡核苷酸的NPs可用于基因和细胞治疗以刺激β细胞产生胰岛素。聚合物NPs用于口服胰岛素递送亦已被提出。此外，NP-蛋白质相互作用可用于先进胰岛素递送。不仅糖尿病，急性胰腺炎亦可受NPs影响。有报道提示纳米硒对胰腺内外分泌功能具有保护作用，该效应归因于Se NPs的多种作用即抗氧化、抗炎和促凋亡活性。纳米医学在胰腺内外分泌疾病治疗中的应用值得进一步关注。
9 纳米颗粒对胎盘的影响
NPs凭借其小尺寸和独特理化性质已知可穿越血-胎盘屏障(BPB)到达胎儿，导致多种异常。胎盘充当母体与胎儿组织之间的界面。NPs的离体胎盘灌注研究揭示了其对胎盘功能的影响新见解，这些影响可能危及母胎健康。相反地，智能纳米颗粒可被工程化以负载特异性靶向胎盘的药物并改善其功能。研究人员报道，NPs到达胎盘后破坏其功能及胎儿健康发育所需的信号因子释放。一篇关于纳米颗粒跨胎盘转运的系统综述已提出，并讨论了母胎健康的前景。目前监管指南未充分涵盖NPs的胎盘毒性，需要开发合适的方法来评估NPs的生殖和发育毒性。NPs诱导致畸性的机制范式近期已有讨论。
10 纳米颗粒对激素的影响
NPs总体上已知可影响下丘脑-垂体-性腺轴的激素分泌细胞，进而调节肾上腺、性腺及胎盘的激素分泌。这种中枢性紊乱在很大程度上导致氧化应激、炎症和细胞死亡。此外，性激素失衡可导致不孕。已有报道纳米镍暴露雌性大鼠FSH和LH水平升高。聚合物纳米颗粒(聚乙二醇)增加垂体重量并改变下丘脑促性腺激素释放激素，刺激LH分泌并增加血清P4水平。虽然NPs对生殖器官的潜在效应已有研究，但其对性激素的影响及潜在机制仍有待探索。甲状腺激素的分泌亦已知受NPs损害。ZnONPs导致雄性大鼠T3、T4和TSH水平显著降低。给予AgNPs的雄性大鼠观察到激素调节改变，治疗7天和28天后LH、睾酮和二氢睾酮水平降低，与甾体生成相关的基因表达亦发生改变。然而，100 ppm浓度的金纳米颗粒增加了大鼠LH、FSH和睾酮水平。总之，金属纳米颗粒的内分泌干扰效应可归因于金属离子的释放。NPs总体上可通过ROS诱导内分泌毒性，这些ROS成为甾体生成、精子发生、卵子发生及下丘脑-垂体-性腺轴信号转导通路中的分子介质。
11 纳米颗粒对内分泌系统的治疗作用
NPs表现的多数不良健康效应通常归因于氧化应激、线粒体损伤、炎症、DNA损伤和表观遗传调控。有趣的是，NPs亦以其潜在抗氧化特性而闻名。它们可通过清除自由基和增强常规抗氧化剂向靶细胞/器官的递送来作用于内分泌系统发挥抗氧化作用，从而减轻氧化应激并支持正常激素功能。NPs可直接攻击ROS、提高抗氧化剂的生物利用度并调节线粒体功能。近期，NPs作为氧化剂或抗氧化剂的双重角色备受争议，它们可作为兼具促氧化与抗氧化特性的双刃剑。金属NPs尤其表现出类酶抗氧化特性，可清除自由基。纳米抗氧化剂是被抗氧化剂或抗氧化酶功能化的金属纳米颗粒。此外，金属纳米材料可因其在多个氧化态之间转换的能力而表现出显著的抗氧化效应。尽管NPs发挥抗氧化活性(AOA)的机制尚不清楚，一些研究反映了其强大的治疗潜力。虽然NPs的抗氧化特性可能取决于其制备方法，但多数情况下采用植物/生物来源制备。例如，酚类、萜类和黄酮类植物化学物赋予其抗氧化特性。如上所述，CuNPs表现出潜在毒性，然而绿色合成CuNPs显示出抗氧化活性，提示特定植物化学物的积极作用。NPs可通过增加非酶抗氧化剂(即维生素C、谷胱甘肽和黄酮类化合物)含量来提高水果和营养保健品的品质。已有关于植物合成氧化铁NPs对番茄品种抗氧化酶(即过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶和抗坏血酸过氧化物酶)直接效应的报道。文献中可找到关于纳米抗氧化剂对内分泌腺效应的具体例子。NPs正被研究其甲状腺保护作用，特别是在管理甲状腺自身免疫和缓解甲状腺功能减退方面。NPs通过促进褪黑素递送以增强其穿越血脑屏障的能力而作为松果体的保护剂。壳聚糖NPs据报道可减轻双酚A对雌性非洲鲶鱼的内分泌干扰、氧化损伤和遗传毒性。NPs的多种保护效应即抗糖尿病和甾体生成调节功能亦已被提出。
12 结论与未来展望
(i) 上述描述明确表明，金属纳米颗粒不仅可与传统内分泌腺相互作用，还可与分散内分泌系统即胸腺、松果体、胰腺和胎盘相互作用。NPs可进入内分泌细胞、与激素受体结合并激活或抑制下游信号通路，其具有模拟激素的能力。其次，NPs可产生ROS、诱导氧化应激、炎症并导致细胞损伤/死亡。然而，NPs引起内分泌毒性中线粒体或细胞质ROS的具体作用尚未被研究，实验证据表明线粒体ROS在细胞周期阻滞和凋亡中发挥重要作用，该问题需要进一步研究。此外，NPs可干扰参与内分泌调节的酶和转运蛋白的功能。最重要的是通过下丘脑-垂体-性腺轴破坏生殖-内分泌稳态。综上所述，NPs引起的内分泌毒性/干扰可能最终导致不良健康效应即不孕、生殖失败和代谢紊乱。因此，从公共卫生角度出发，NPs诱导内分泌毒性的机制研究具有重要意义。
(ii) NPs在人体内的毒理学行为是一个涉及多器官和相互依赖分子机制组合的复杂过程。单一实验模型似乎不足以模拟真实效应场景。具有精确流体控制的微流控模型与单细胞培养模型、器官芯片模型相结合，可能实现对其毒性的精确测定，形成准确的体内评价系统。计算机模拟模型和器官培养芯片模型等新方法可能增进我们对NPs对人体健康潜在影响的理解。
(iii) 需要更加关注其毒性分子机制、生物标志物和转化研究。
(iv) 两种或多种NPs的联合效应是一个重要的研究领域，需要科学界的关注。
(v) 一类被称为氧化还原纳米颗粒的新兴NPs，即氧化铈NPs、硼簇和含硅NPs，具有前景广阔的抗氧化特性，它们可穿越血脑屏障，因此可能有效治疗内分泌干扰。
