基于同位素示踪技术的生物体内纳米银吞噬及转化行为研究

Due to their excellent antibacterial ability, silver nanoparticles (AgNPs) are extensively used in a great number of consumer products and medical devices, which has paralleled growing public and regulatory concerns as to the potential risks they may pose to humans and the environmental organisms. Although many studies focused on the toxicity of AgNPs, the toxic mechanism of AgNPs is still debating. On the one hand, because of the co-occurrence of AgNPs and Ag ions, there lacks reliable separation methods to isolate AgNPs from Ag ions in biological matrices. On the other hand, some studies proposed that AgNPs exerted the toxicity through a “Trojan-horse” mechanism, by which AgNPs are internalized into cells, releasing Ag ions and causing potential cell damage. However, because the initial exposure solution also contains a low amount of Ag ions, it is unclear whether the Ag ions detected in exposed organisms are stemmed from the uptake of Ag ions from the exposure solution or from the release of Ag ions from AgNPs in the organism. In this proposal, a reliable LC-ICP-MS method to separate and quantify AgNPs and Ag ions in biological matrices is developed. Then, model organisms will be exposed to mixture solutions of isotopically enriched 107AgNPs and 109Ag ions, and the uptake kinetics and transformation of AgNPs and Ag ions to/in the model organisms will be tracked by using stable isotope labelling technique and the developed LC-ICP-MS method, aiming to help to elucidate the toxic mechanisms of AgNPs.

纳米银因其优良的杀菌消炎的特性而在近年得到广泛使用，它潜在的环境风险和健康效应也逐渐受到人们的关注。纳米银的毒性来源和机理存在很大争议。一方面，由于纳米银和银离子往往共存，目前没有快速可靠的分离测定生物基质中纳米银和银离子的方法；另一方面，虽然有研究认为纳米银被生物体吸收后缓慢释放银离子而发挥毒性，且在纳米银暴露的生物体中也能检测到银离子的存在，但由于纳米银溶液中本身含少量的银离子，无法确定银离子是来源于原溶液中银离子的吸收还是进入生物体后纳米银的释放。本项目拟发展一种液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用分离测定生物基质中纳米银和银离子的方法，再用富同位素107Ag的纳米银和富同位素109Ag的银离子的混合溶液暴露模型生物，用同位素示踪技术监测生物体对纳米银和银离子的吞噬动力学及纳米银在生物体内的迁移转化规律。项目将为纳米银的毒理学研究提供定量手段和数据支持。

纳米银的大量生产与使用使其不可避免释放到环境中，对人类及环境生物造成潜在危害。纳米银的毒性来源及机理仍存在争议。虽然有研究认为纳米银通过木马效应，即进入细胞后释放大量银离子发挥毒性效应，且在细胞内检测到大量一价银形态（Ag(I)）的存在，但由于纳米银暴露溶液中本身含银离子，难于确定一价银的来源。本项目首先发展了生物基质中纳米银和银离子的测定方法，然后用富同位素107Ag的纳米银和富同位素109Ag的银离子的混合溶液暴露细胞，不同暴露时间收集细胞，测定细胞内不同形态的银的含量，用双同位素示踪技术监测生物体对纳米银和银离子的吞噬动力学及它们在生物体内的转化。研究发现随着暴露时间的延长，细胞内107Ag(I)占总107Ag的比例不断升高，进一步计算不同时间107Ag(I)/109Ag(I)的比率，发现也不断升高，由于细胞对107Ag(I)和109Ag(I)的吞噬速率常数是一致的，表明了在细胞体内有107Ag(I)的不断释放。单独用相同浓度的109Ag+(100 μg/L)暴露细胞后，细胞内109Ag(I)含量与混合暴露组相比明显降低，表明纳米银很可能会作为银离子的载体，使更多的银离子进入细胞。已报道的纳米银毒理学研究中，由于初始纳米银暴露溶液中含少量的银离子，为了证明少量银离子不会对生物体造成损伤，往往用相同含量的银离子暴露生物作为对照实验。我们研究结果证明之前文献报道的对照方法并不可靠，实验结果也需要重新修正。进一步对大鼠进行纳米银暴露后，在大鼠的心、肝、脾、肺、肾等器官中均检测到纳米银和银离子，其中肝脏中超过一半的银以Ag(I)的形式存在，表明纳米银在生物体内也有可能进行释放。本项目研究表明纳米银一方面作为银离子的源头，进入细胞后不断释放银离子，另一方面，作为银离子的载体，使大量银离子吸附在纳米材料的表面，细胞吞噬纳米银时将银离子带入细胞，纳米银很可能通过木马效应发挥毒性作用。