田雨陽，王旖旎，王宇，馬焜

（哈爾濱醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，黑龍江哈爾濱150081）

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于1～100 nm，并作為基本單元構(gòu)成的材料，具有體積效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)五大基本特征，由此也導(dǎo)致納米材料在物理和化學(xué)方面具有其獨(dú)特的性能[1]。近年來隨著納米技術(shù)基礎(chǔ)理論和新材料應(yīng)用的不斷發(fā)展，納米材料已經(jīng)在傳統(tǒng)材料、醫(yī)療器材、電子設(shè)備的行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。納米二氧化鈦（titanium dioxide nanoparticles,TiO2NPs）又稱鈦白粉，因其具有最佳白度、不透明度、光亮度、黏附能力強(qiáng)、熔點(diǎn)高、較好的抗菌性和紫外線掩蔽作用等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于涂料、造紙、印刷、化妝品和醫(yī)療等行業(yè)[2-3]。由于TiO2NPs 在人們生活中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，其暴露機(jī)會(huì)也不斷增加，其毒性和毒效應(yīng)也逐漸引起了人們的關(guān)注。人們通過食入、吸入、皮膚滲透等途徑長期接觸TiO2NPs 顆粒的頻率大大增高[4]，其可能成為危害人類健康的潛在環(huán)境污染物，其生物安全性亟待評(píng)估。目前對(duì)于TiO2NPs 生物毒性效應(yīng)的研究主要集中在肺毒性、肝腎毒性、心血管毒性、皮膚毒性、生殖毒性及遺傳突變等，其神經(jīng)毒性研究仍處于起步階段。本文根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)TiO2NPs 的神經(jīng)毒性及作用機(jī)制，探討其對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的潛在影響并做出展望，為TiO2NPs 在各領(lǐng)域中的安全應(yīng)用提供參考。

1 TiO2 NPs的理化性質(zhì)

TiO2NPs 是白色固體或粉末狀物質(zhì)，分子量79.9 Da，熔點(diǎn)高，主要包括銳鈦礦型（Anatase，簡稱A 型）和金紅石型（Rutile，簡稱R 型）等晶型[5-6]。TiO2NPs 直徑<100 nm，具有很高的熱穩(wěn)定性、親水性和化學(xué)穩(wěn)定性，此外，還具有高折光性和高光活性，因此它既可吸收紫外線，也可反射、散射紫外線，有非常強(qiáng)的紫外線屏蔽作用。由于其具有納米材料的基本特性，TiO2NPs 的某些物理化學(xué)性質(zhì)與原型和微米TiO2均有所不同，納米級(jí)的粒徑使TiO2NPs 具有較大的表面積和較強(qiáng)的吸附能力[7]。通常TiO2NPs 被認(rèn)為是無毒物質(zhì)，但由于TiO2NPs 具有納米材料的獨(dú)特性質(zhì)，仍可對(duì)生物體造成潛在危害。

2 TiO2 NPs進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的途徑

腦組織對(duì)外界刺激十分敏感，而且缺乏有效的防御機(jī)制，即使是進(jìn)入微量的外界物質(zhì)，都極易誘發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)應(yīng)激反應(yīng)，造成神經(jīng)元損害和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能紊亂。因此，闡明TiO2NPs 對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損傷機(jī)制迫在眉睫。粒徑極小的TiO2NPs可以避開免疫系統(tǒng)的吞噬作用，主要經(jīng)由呼吸道、胃腸道和皮膚滲透3 種方式進(jìn)入血液系統(tǒng)，通過血腦屏障或鼻-腦通路沉積在腦組織或隨血液循環(huán)到達(dá)中樞神經(jīng)系統(tǒng)。進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的TiO2NPs可破壞血腦屏障和神經(jīng)細(xì)胞間的緊密連接，引起血腦屏障功能障礙和腦組織微環(huán)境的改變，從而導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能性病變[8]。

2.1 胃腸道途徑

TiO2NPs 具有的最佳白度特性使其作為白色素食品添加劑廣泛用于各種食品著色。歐盟將其列為食品著色劑、食品添加劑、飲食輔料或用于食品包裝。巧克力、口香糖、果凍、膨化食品、油炸食品和固體飲料中都含有高劑量的TiO2NPs，每單位含鈦可達(dá)到0.01～1.00 mg，其中TiO2NPs顆粒含量達(dá)到27.7%～43.7%，并且95%在咀嚼時(shí)非常容易進(jìn)入人體，胃腸道中的TiO2NPs 濃度可在24 h 內(nèi)達(dá)到200 g/mL。根據(jù)最近數(shù)據(jù)表明，10 歲以下兒童和其他人群的膳食中TiO2NPs 的人體暴露量分別達(dá)到1～2 mg/（kg·d）和0.2～0.7 mg/（kg·d）[9]。因此經(jīng)胃腸道成為了主要的暴露途徑之一。經(jīng)胃腸道攝入的TiO2NPs 直接被小腸和大腸的淋巴組織吸收，轉(zhuǎn)到腸系膜進(jìn)入血液循環(huán)，透過或破壞血腦屏障進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)。經(jīng)胃腸道攝入TiO2NPs 吸收后容易通過腎臟排泄，腦部積累量較低，呈現(xiàn)TiO2NPs 粒徑越大，腦內(nèi)蓄積含量越高的趨勢。

由于腹膜面積大，血管和淋巴管豐富，吸收能力強(qiáng)，藥劑注射后可被迅速吸收，因此腹腔注射被當(dāng)作為一種常用的給藥方法。劉青等[10]給小鼠一次性腹腔注射不同劑量的TiO2NPs 顆粒溶液，14 d 后進(jìn)行測定，結(jié)果小鼠肺及腦組織中的抗氧化酶和丙二醛濃度出現(xiàn)變化，說明TiO2NPs 對(duì)肝臟、腦和肺組織有一定損害作用,且不同組織器官的損傷程度不同。GERAETS 等[11]將5 種二氧化鈦納米顆粒（100 nm、101 nm、102 nm、103 nm 和104 nm）給予大鼠口服，并選擇肝臟、脾臟和腸系膜淋巴結(jié)作為鈦分析的目標(biāo)組織，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肝和脾中的鈦水平僅在某些大鼠中高于檢測極限，腸系膜淋巴結(jié)中含量較低，表明TiO2NPs 在胃腸道中的吸收非常有限。經(jīng)腸上皮細(xì)胞吸收的TiO2NPs 進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，在與相應(yīng)蛋白質(zhì)結(jié)合的過程中也可導(dǎo)致相關(guān)蛋白數(shù)目的增多[12]，后者也可能影響TiO2NPs 在人體內(nèi)的分布。

2.2 呼吸道途徑

TiO2NPs 因其催化作用和特殊的光效應(yīng)而常被用于光涂料和漆料等領(lǐng)域，這也導(dǎo)致其可經(jīng)呼吸道進(jìn)入人體[13]。TiO2NPs 光催化消毒機(jī)和TiO2NPs噴液可用于空氣凈化、殺菌消毒或清除有機(jī)物污染時(shí)，空氣中的TiO2NPs濃度可增加到0.7～16.0 μg/L[14]，大氣中殘存的TiO2NPs 可通過呼吸道吸入體內(nèi)；化工行業(yè)在制造氧化鈦過程中，職業(yè)人群長期暴露于含TiO2NPs的空氣中，在其鼻咽、支氣管和肺部可有明顯的沉積，并且可通過嗅球轉(zhuǎn)移到腦[15]。呼吸道是TiO2NPs進(jìn)入機(jī)體的主要途徑，其可由鼻咽部進(jìn)入呼吸系統(tǒng)，穿透呼吸道表皮細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，隨后直接進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)或間接經(jīng)過淋巴系統(tǒng)分布全身，穿過血腦屏障進(jìn)入中樞；或穿過鼻黏膜被嗅覺神經(jīng)和感覺神經(jīng)末梢攝取，進(jìn)入嗅球沿神經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)入腦[16]。由于粒徑較小，生物活性較高，所以可以以簡單擴(kuò)散等形式通過氣-血屏障，沉積在肺泡組織和毛細(xì)血管處。OBERDORSTER 等[15]使用粒徑為20 nm 和200 nm 的TiO2NPs 對(duì)大鼠進(jìn)行亞慢性吸入實(shí)驗(yàn)，結(jié)果兩組大鼠的下呼吸道均有TiO2NPs 沉積，且20 nm組的沉積時(shí)間更長，引起的炎癥反應(yīng)也更嚴(yán)重，說明粒徑大小可影響沉積和損害程度。此外，TiO2NPs 也可經(jīng)嗅神經(jīng)轉(zhuǎn)移進(jìn)入腦部并蓄積。ZHANG等[16]將雌性小鼠每隔1 天鼻內(nèi)滴注4 種不同類型的TiO2NPs 顆粒，每次30 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鼻內(nèi)滴注親水性TiO2NPs 后，小鼠大腦皮層和紋狀體中鈦含量顯著增加，大腦皮層神經(jīng)元發(fā)生顯著變化。

2.3 皮膚途徑

由于TiO2NPs 具有優(yōu)異的穩(wěn)定性、低腐蝕性和抗紫外線等特點(diǎn)，被廣泛用于化妝品[17]。將TiO2NPs 作為防曬成分添加到防曬霜中，可有效提高防曬指數(shù)，降低紫外線對(duì)皮膚的刺激作用，TiO2NPs可經(jīng)皮吸收蓄積到角質(zhì)層和表皮[18]。經(jīng)皮膚接觸的TiO2NPs 可能以滲透形式沉積在皮膚角質(zhì)層和真皮層，TiO2NPs 可被皮膚局部淋巴結(jié)或被真皮層的感覺神經(jīng)末梢攝取，并沿神經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)至中樞。但目前TiO2NPs 是否可以經(jīng)過皮膚進(jìn)入人體并造成損害尚不確定。TiO2NPs 曾普遍被認(rèn)為只會(huì)沉積在角質(zhì)層最外層，不會(huì)滲入深層皮膚。但仍有少數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)TiO2NPs 可滲透入深層皮膚。WU 等[19]在豬耳上局部施用30 d 的TiO2NPs，發(fā)現(xiàn)其可以穿透角質(zhì)層并到達(dá)表皮深層；同時(shí)無毛小鼠皮膚在接觸TiO2NPs 60 d 后，TiO2NPs 可穿透皮膚到達(dá)不同組織，并誘發(fā)多種病理性病變。

3 TiO2 NPs的神經(jīng)毒性

近年來，許多研究證實(shí)TiO2NPs 可透過肺血屏障、血腦屏障、血睪屏障、胎盤屏障等生物屏障，進(jìn)入肺、腦、腎、肝等臟器，影響其生物學(xué)功能。TiO2NPs 因其特殊的物理化學(xué)特性和生物學(xué)惰性，具有強(qiáng)大的組織細(xì)胞穿透能力、氧化能力和催化能力。大鼠經(jīng)口灌胃或鼻腔滴注方式進(jìn)行TiO2NPs 染毒后，TiO2NPs 進(jìn)入大鼠腦組織后可增強(qiáng)嗅球和海馬等區(qū)域氧化應(yīng)激反應(yīng)，抑制神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，減弱大鼠的空間記憶能力和學(xué)習(xí)能力[20]。此外，在妊娠期小鼠腹腔注射TiO2NPs，會(huì)在胎盤子代大鼠的肝臟和腦內(nèi)出現(xiàn)，而非納米級(jí)的TiO2顆粒并未引起這些癥狀。腦組織對(duì)外界刺激十分敏感，而且缺乏有效的防御機(jī)制，TiO2NPs 可損傷血腦屏障細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞間的緊密連接，引發(fā)血腦屏障功能障礙和腦組織微環(huán)境的改變，導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能性改變。TiO2NPs 在腦內(nèi)蓄積可引起神經(jīng)毒性，主要通過誘發(fā)炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、神經(jīng)細(xì)胞凋亡和信號(hào)通路的異常激活導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂，但具體機(jī)制尚未明確。大量的動(dòng)物和細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明TiO2NPs 顆粒對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有潛在的神經(jīng)毒性[21]。

3.1 中樞神經(jīng)遞質(zhì)紊亂

TiO2NPs 可以改變血腦屏障的通透性，使腦內(nèi)多巴胺、去甲腎上腺素、5-羥色胺及乙酰膽堿等神經(jīng)遞質(zhì)的分泌水平和代謝酶活性明顯下降；紋狀體、黑質(zhì)及海馬區(qū)鈦含量顯著升高；神經(jīng)元出現(xiàn)空泡、變性和死亡，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞異常增殖，組織出血和壞死等[22]。

3.2 氧化應(yīng)激

目前，已有許多研究表明TiO2NPs 可對(duì)人體和其他生物產(chǎn)生明顯的神經(jīng)毒性作用，并影響相應(yīng)神經(jīng)功能、學(xué)習(xí)能力。TiO2NPs 蓄積會(huì)激活神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的氧化應(yīng)激反應(yīng)，活性氧（reactive oxygen species,ROS）和脂質(zhì)過氧化物大量釋放，破壞生物膜脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA 等大分子物質(zhì)，導(dǎo)致線粒體和泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的功能障礙，神經(jīng)元內(nèi)α-突觸核蛋白（α-synuclein,α-syn）異常聚集，抑制神經(jīng)細(xì)胞增殖，發(fā)生細(xì)胞周期阻滯和細(xì)胞凋亡[23]。郭晴等[17]將56 只小鼠經(jīng)皮膚暴露途徑連續(xù)42 d 暴露在8 組不同劑量的TiO2NPs 中，結(jié)果表明TiO2NPs可以經(jīng)皮膚進(jìn)入血液，并通過血腦屏障對(duì)大腦造成損傷。COCCINI 等[24]的研究證實(shí)短期暴露于低劑量（0.1～1.5 mg/mL）的TiO2NPs 即可對(duì)人腦SH-SY5Y細(xì)胞和D384 細(xì)胞系造成損害。LIU 等[18]通過測試不同大小的TiO2NPs 在體內(nèi)外對(duì)大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞存活率的抑制作用，發(fā)現(xiàn)TiO2NPs 可導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，腦組織發(fā)生壞死。HU 等[25]發(fā)現(xiàn)TiO2NPs 可能在斑馬魚幼蟲的大腦中積累，引起體內(nèi)和體外多巴胺能神經(jīng)元的丟失，對(duì)帕金森病的發(fā)生具有潛在影響。TiO2NPs 也可沉積在生物的海馬體部，對(duì)學(xué)習(xí)和記憶能力造成影響。盛蕾[22]以具有發(fā)育特性的大鼠原代海馬神經(jīng)元細(xì)胞作為模型，用不同濃度（5 μg/mL、15 μg/mL 和30 μg/mL）的TiO2NPs（銳鈦型，5 nm）處理細(xì)胞24 h，TiO2NPs 可以抑制原代海馬神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核，抑制樹突發(fā)育。王文斌[21]將50 只SPF 級(jí)健康雄性大鼠分為5 組，分別以蒸餾水，62.5 mg/kg、125 mg/kg、250 mg/kg TiO2NPs 和250 mg/kg普通粒徑TiO2進(jìn)行灌胃染毒，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前6 d，利用Morris 水迷宮測定大鼠的學(xué)習(xí)記憶能力，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)每組隨機(jī)選2 只大鼠做常規(guī)病理切片，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TiO2NPs 可進(jìn)入大鼠血液及海馬組織中并產(chǎn)生蓄積，并使大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力下降，造成大鼠腦皮層和海馬組織損傷，誘導(dǎo)大鼠腦皮層和海馬組織神經(jīng)細(xì)胞凋亡。PEREZ-ARIZTI 等[2]用H2DCFDA 氧化法研究TiO2NPs 顆粒對(duì)大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞的強(qiáng)氧化應(yīng)激作用，流式細(xì)胞分析儀顯示，與未暴露的細(xì)胞比較，ROS 在短時(shí)間（2 h、4 h 和6 h）內(nèi)增加，而在TiO2NPs 暴露24 h 和48 h 后，ROS 的增加量更多。HE 等[26]發(fā)現(xiàn)抗氧化劑N-乙?；?L-半胱氨酸可顯著降低小鼠海馬神經(jīng)元HT22 細(xì)胞中TiO2NPs 誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，其特征在于葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78（GRP78）的下調(diào)和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-12（Caspase-12）的裂解，表明氧化應(yīng)激參與了TiO2NPs 誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激。KRAWCZYNSKA 等[27]發(fā)現(xiàn)TiO2NPs 可以降低芳香化酶基因的表達(dá)，降低谷胱甘肽過氧化物酶和還原酶的活性，產(chǎn)生氧化應(yīng)激。VALENTINI 等[28]通過使用靶向脂質(zhì)過氧化的抗4-羥基壬醛抗體進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)海馬體、小腦和室管膜下區(qū)域是TiO2NPs 重要的氧化應(yīng)激部位。見表1。

表1 TiO2 NPs引起的腦組織氧化應(yīng)激反應(yīng)致神經(jīng)毒性

3.3 炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)是TiO2NPs 引起神經(jīng)毒性的主要機(jī)制之一。TiO2NPs 可誘發(fā)中樞免疫調(diào)節(jié)，刺激TNF-α、白細(xì)胞介素-6（Interleukin-6,IL-6）和白細(xì)胞介素-1β等炎癥介質(zhì)的釋放，上調(diào)趨化因子如主要組織相容性復(fù)合體、單核細(xì)胞趨化蛋白-1、巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-2等表達(dá)，加速誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡[21]。GRISSA等[29]每天對(duì)大鼠灌胃50 mg/（kg·BW）、100 mg/（kg·BW）和200 mg/（kg·BW）銳鈦礦型TiO2NP（5～10 nm）60 d后，通過評(píng)估大腦的系數(shù)、乙酰膽堿酯酶（AChE）活性、IL-6 和神經(jīng)膠質(zhì)纖維酸性蛋白的表達(dá)以量化腦損傷，結(jié)果表明，與對(duì)照相比，高劑量銳鈦礦型TiO2NPs 可以導(dǎo)致AChE 活性下調(diào)，血漿IL-6 水平升高，誘導(dǎo)神經(jīng)損傷。SHIN 等[30]對(duì)經(jīng)脂多糖處理30 min 后的雄性C57BL/6 小鼠腹膜內(nèi)注射超細(xì)（21 nm）TiO2NPs，結(jié)果顯示小膠質(zhì)細(xì)胞活性增加，促炎細(xì)胞因子IL-1 和TNF-α 的mRNA 和蛋白水平顯著提高，表明TiO2NPs 可通過增強(qiáng)小膠質(zhì)細(xì)胞活化來促進(jìn)神經(jīng)炎癥反應(yīng)。除此之外，TiO2NPs 在進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)之后，還可對(duì)血腦屏障造成損傷，使血液中的分子和物質(zhì)經(jīng)通透性改變的血管壁進(jìn)入腦組織，促進(jìn)炎癥發(fā)生。

3.4 細(xì)胞凋亡

LIU 等[31]將PC12 細(xì)胞分別暴露于TiO2NPs（10 g/mL 和50 g/mL）24 h 后，通過流式細(xì)胞術(shù)檢測PC12 細(xì)胞的凋亡，結(jié)果TiO2NPs 以劑量依賴的方式誘導(dǎo)PC12 細(xì)胞的凋亡，但用ROS 清除劑預(yù)處理可以抑制TiO2NPs 誘導(dǎo)的PC12 細(xì)胞的凋亡，說明TiO2NPs 是通過氧化應(yīng)激的方式引起細(xì)胞凋亡。TiO2NPs 誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥信號(hào)，激活炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)和絲裂原活化蛋白激酶、蛋白酪氨酸激酶及P53 等信號(hào)通路， 誘導(dǎo)凋亡相關(guān)基因NF- κB、Bax、Caspase-3等異常表達(dá)[32-33]。WU 等[34]和冒志磊[35]將PC12 細(xì)胞暴露于TiO2NPs 顆粒中，通過Western blotting 和Caspase 3 對(duì)c-Jun 氨基末端激酶（JNK）、P53、P21、Bax 和Bcl-2 進(jìn)行分析，結(jié)果表明TiO2NPs 可通過ROS 和JNK/P53 介導(dǎo)的凋亡作用誘導(dǎo)神經(jīng)元損傷，并通過激活P53/P21 途徑引起細(xì)胞在G2/M 期發(fā)生阻滯。

4 結(jié)論

TiO2NPs 作為最有潛力的新型納米材料之一，在生活的各個(gè)方面逐漸得到了廣泛的應(yīng)用，并且有著可觀的發(fā)展前景。TiO2 NPs 對(duì)人體可能具有潛在的遺傳毒性和神經(jīng)毒性，其中神經(jīng)毒性主要表現(xiàn)為海馬體受損，小腦病變等引起的學(xué)習(xí)、記憶能力減退和阿爾茲海默病。TiO2NPs 誘導(dǎo)的神經(jīng)毒性會(huì)加重腦內(nèi)的免疫炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，破壞血腦屏障的完整性，損傷腦內(nèi)神經(jīng)元，引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和證據(jù)均不能證明TiO2NPs 會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重影響，由于缺乏可靠的生物安全模型，同時(shí)其物理化學(xué)性質(zhì)和引起影響的強(qiáng)弱與粒徑大小和顆粒數(shù)目有很大關(guān)系，TiO2NPs的生物安全性值得進(jìn)一步研究和討論。隨著TiO2NPs 應(yīng)用的加快，對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)的需求也迫在眉睫，從而為生命健康提供保障，為材料正確合理使用提供依據(jù)。