谷战军课题组

课题组发表《Advanced Science》综述:纳米材料对眼睛的安全性评估不容忽视

2019-07-12 14:22来源:X-MOL资讯,高分子科学前沿微信公众号浏览数:278 


注:本新闻综合整理自

2‍019-07-07 高分子科学前沿微信公众号文章‍:纳米粒子飞入眼睛有毒吗?一个重要但被忽视的问题!

2019-07-10 X-MOL资讯新闻:Adv. Sci.:纳米材料对眼睛的安全性评估不容忽视

近年来,纳米材料由于其独特的理化性质,在家电、美容、纺织、电子工业和机械生产等领域都发挥着重要作用。然而,随着纳米材料越来越广泛地应用在生产和生活中,它们所带来的安全隐患也引起了社会各界的广泛关注。在过去的几年里,科学家多将研究方向集中在纳米材料对皮肤、呼吸道、肺部、肝肾脑等器官的安全性研究,一个十分脆弱却又非常重要的器官——眼睛,却常常被研究者遗忘。眼睛的重要性是不言而喻的,我们日常生活中90%的信息是通过眼睛来收集的。然而作为一个浅表器官,眼睛直接暴露在外,环境中的毒性物质会直接导致眼部的损伤,给生活带来极大的不便。据美国疾病防护中心报道,美国每年由于眼伤进急诊室的病人高达300,000例。过去已有许多综述报道过在不同工作环境,比如化妆品制造、农业生产、化工生产、建筑工地以及空气污染等对眼部的危害,然而针对纳米材料眼部安全性的专题综述几乎未见报道。与传统的机械/化学/大颗粒物质损伤相比,纳米材料由于其特殊的小尺寸,更容易穿过眼表屏障引起细胞毒性和免疫反应。另外,纳米材料不仅可以引起眼球表面的应激反应,它还会渗入到眼球内部,对晶状体、视网膜甚至视神经造成伤害。因此,纳米材料的眼部安全性问题也是不容忽视的。

近日,中国科学院高能物理研究所纳米生物效应与安全性院重点实验室谷战军研究员与西南医院的徐海伟教授在Advanced Science上发表了题为“Safety Assessment of Nanomaterials to Eyes: An Important but Neglected Issue”的综述文章,总结归纳了迄今为止有关纳米材料眼毒性的相关工作,并对当前纳米材料眼毒性研究面临的挑战和其未来发展方向做出了深入的思考和前瞻性的展望。


图1. 纳米颗粒暴露引起的眼部疾病


文章首先简单介绍了眼睛的结构(眼表、晶状体、视网膜和视神经)以及纳米材料对每个结构可能造成的危害(图1);随后总结了纳米材料对眼部毒性的影响因素。文章第三部分重点分析总结了现有的纳米材料眼部安全性的研究工作,并根据国际经合组织(Organization for Economic Cooperation and Development)提供的制造纳米材料工作组(Working Party on Manufactured Nanomaterials)列表,将现有的工作按照材料分成三类:金属纳米材料(Au、Ag、Fe),金属氧化物纳米材料(SiO2、TiO2、ZnO、CeO2)和碳基纳米材料(碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯)。最后,作者还指出了现有纳米材料眼毒性研究的局限性以及对未来该领域研究方向,如何更好地保护眼睛,更安全地生产使用纳米材料进行了分析和展望。该文章是迄今为止第一篇系统地介绍纳米材料眼毒性的综述,也为科研工作者提供了前瞻性的指导方向,引导更安全有效地生产使用纳米材料。

首先,作者简要描述了眼部解剖结构和典型的眼部疾病,重点介绍了工作中或环境中纳米颗粒所导致的眼部疾病。虽然一些症状可能尚未在纳米材料相关工作场所发现,但是鉴于纳米颗粒对眼睛的发病机制,这些症状也可能是纳米颗粒引起的。研究发现,纳米颗粒的尺寸越小,越易导致眼部疾病。其中:

  • TiO2等颗粒物易引起干眼症;

  • SiO2纳米颗粒易导致硅肺患者的结膜穿孔;

  • 金属离子可以诱导氧化应激活抑制抗氧化途径而引发白内障;

  • 铁离子在眼内的异物沉积会导致白内障和晶状体变色;

  • 金、银纳米粒子或多壁碳纳米管可能导致视网膜细胞或组织中细胞凋亡和增加氧化应激。

然后,作者探讨了纳米颗粒对眼睛的毒性影响因素。目前关于纳米颗粒眼毒性因子的研究大多只关注其大小和暴露时间,然而由于其独特的理化性质,有许多更为显著的参数可能影响纳米颗粒的眼毒性。纳米颗粒的化学成分及其化学性质就易导致较大的毒性。纳米材料中可能含有重金属或其他毒性较大的金属,而纳米颗粒的化学性质可能会从细胞摄取、亚细胞定位和氧化应激等几个方面影响毒性分布。同时,纳米颗粒的大小和形状对其毒性也有很大影响。尺寸越小,其毒性越大,棒状形毒性大于球形的毒性。表面面积、电荷和改性对纳米颗粒的毒性也有一定影响。当纳米颗粒具有相同的质量、相同的化学成分和相同的晶体结构时,其表面面积越大越易引发炎症反应。带正电荷的纳米颗粒比带负电荷或中性电荷的纳米颗粒更易被细胞吸收,从而导致更多的炎症反应和细胞死亡。纳米颗粒的表面修饰/功能化可以显著改变纳米颗粒的生物物理化学性质,与纳米颗粒的安全性或毒性密切相关。此外,纳米颗粒的剂量、浓度和纳米颗粒在溶剂或生物介质中的行为都会影响其毒性。

最后,作者探讨了工作场所纳米材料的眼部毒性。众多毒性研究表明纳米颗粒主要通过四种机制引起细胞毒性:(a)氧化应激的产生;(b)细胞膜破裂;(c)诱导炎症反应;(d)基因毒性。作者探讨了金属纳米材料、金属氧化物纳米材料和碳纳米材料三种材料对眼睛的毒性。尽管大块金属被认为对人是安全的,但是已有研究发现金属纳米颗粒对人的眼睛是有毒性作用,尤其是长期接触的金属纳米颗粒,会引发慢性职业病。


图2.(a)小鼠视网膜中Ag和Au NPs摄取的TEM图;(b)在20和80 nm Ag和Au NPs作用后,小鼠视网膜中凋亡细胞的数量增加;(c)氧化应激

对于金属氧化物纳米颗粒而言,其尺寸越小越易引起毒性问题。例如,常见的小尺寸的SiO2纳米颗粒易引起肺病,小尺寸的TiO2和ZnO纳米颗粒易引起眼部疾病。

图3.(a)SiO2 NPs对直径、浓度范围的细胞活力的影响;(b-c)不同尺寸的SiO2 NPs对hCECs的损伤;(d)以SiO2 NPs对角膜和蛋白冠的毒性方案为治疗策略;(e)不同尺寸SiO2 NPs对结构性角膜损伤的影响及FBS的治疗效果。

由于碳纳米材料(富勒烯、碳纳米管、石墨烯等等)已被广泛用于皮肤护理、化妆品和生物医学方面,所以考查碳纳米材料对眼睛的毒性也尤为重要。当这些碳纳米材料悬浮在气相或液体中时,会增加对工人和消费者的接触机会和时间,进而通过皮肤毛孔或眼睛进入身体,从而增加潜在的毒性。因此,当我们在生活中需要接触这些碳纳米材料时,需要注意保护好自己。


图4.(a-d)氧化石墨烯(GO)对hCorECs的毒性评估;(e-g)利用(e)体外和(f,g)体内模型评估GO暴露的眼刺激可能性的实验的示意图。

表1. 工业或环境领域常用纳米材料的毒性研究清单

总结

综上所述,本文首先从眼表、晶状体、视网膜和视神经等方面对几种典型的颗粒物质暴露性眼病进行了综述。由于异物可在生物体内引起系统性炎症反应,环境纳米颗粒可能对眼睛的各个部位产生毒性。此外,还简要介绍了环境纳米颗粒对眼睛毒性的研究进展。虽然表一中已经列出了一下常见纳米颗粒对眼睛有毒性且都已被纳入检测中,但是这远远是不够的。目前,关于该研究还存在以下挑战:

(1)在纳米颗粒眼毒性研究中,不同的研究小组使用不同的生物模型,其结果的合理性有待商榷,需要标准策略的研究结果来解释纳米材料对眼睛的毒性;

(2)未能长期重复研究纳米颗粒对眼睛产生的毒性,因此需要进行长期毒性研究以声称安全使用纳米材料;

(3)需进一步研究纳米材料的内在毒性,以实现对眼睛吸收纳米材料的综合安全性研究。总之,纳米材料对眼睛的安全与对皮肤或肺的安全同等重要。通过深入了解纳米颗粒对眼睛的毒性,可以为接触纳米材料创造一个更安全的环境。


参考文献

Zhu Shuang, Gong Linji, Li Yijian, Xu Haiwei*, Gu Zhanjun*, Zhao Yuliang. Safety Assessment of Nanomaterials to Eyes: An Important but Neglected Issue. Advanced Science. 2019;0:1802289. DOI: 10.1002/advs.201802289

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802289