从新视角审视纳米载体生物毒性的本质与安全应用

生物医药纳米技术现已成为医药领域研究的主流方向，近10年相关研究论文增长高达600%。然而大量研究证明，纳米粒子会与生物大分子和细胞发生作用，引起严重的毒性反应，所以绝大多数研究都集中在金属纳米粒、碳纳米粒（纳米管、活性炭、富勒烯）、氧化物纳米粒、陶瓷纳米粒等材料对生物和环境的危害上，并试图提示毒性产生的原因及寻求减毒的方法。但是，由于未能揭示纳米毒性的规律，也缺乏准确评价的一致标准，这方面的努力几乎无功而返，研究后转化为成果的寥寥无几。同时，对于纳米毒性的种种困惑与恐惧，还使得纳米技术陷于安全争议的泥潭。因此，以生物、化学与物理原理及实验研究数据资料为基础，基于纳米毒性的特点并从全新视角审视纳米毒性的机制，成为攻克纳米材料在生物医药领域应用难关的当务之急。

尺寸效应毒性根源学说面临挑战

目前，纳米毒性评价主要是基于化学毒理学方法，在分析和总结纳米材料的大量毒理实验结果后，主流观点认为纳米尺寸是纳米毒性的根源，即认为纳米材料的毒性主要是由纳米尺寸效应所引起的：纳米材料巨大的比表面积使其具有很强的化学反应活性，这些活性表面能迅速产生活泼的化学分子，如活性氧（ROS）和自由基等，它们能导致氧化应激和炎症反应，并引起蛋白变性、细胞膜破坏和DNA损伤。但这一结论面临三大问题：

剂量-效应关系的不确定性剂量-效应关系是经典毒理学的基本规律，是判断外源化学物质与机体损伤之间因果关系的证据，是安全性评价的重要内容。然而，针对纳米毒理学的研究并不存在明确的剂量-效应关系。例如，有研究发现，将SiO2纳米粒与HEK293细胞孵育，分别给予80微克/毫升和140微克/毫升的剂量，24小时后细胞存活率均为50%。

毒性效应的非特异性根据经典毒理学毒效应的高度特异性和专一性，不同结构的化合物产生毒性效应的性质不同，均是由化合物的结构特征所决定的。然而，不同的纳米材料尽管结构各异，它们的毒性表现形式却趋同。如有研究采用非暴露式器官滴注的方式探讨了Fe3O4和SiO2纳米颗粒以及单壁碳纳米管对大鼠肺的毒性效应，病理结果显示，3种纳米材料均造成程度相近的大鼠肺间质性炎症。

“尺寸效应”的片面性现有的研究结果并非都指向“纳米即有毒”的观点。与金、碳纳米管等生物不可降解的纳米粒的严重毒性相比，可降解粒子如白蛋白纳米粒、脂质体等基本上是安全的，并获得美国食品药品管理局（FDA）批准应用于临床。研究发现，给予小鼠Zn颗粒混悬液灌胃，微米颗粒组引起的肝损伤大于纳米粒组。虽然纳米粒组的动物发生了死亡现象，解剖却发现是由于纳米粒严重聚集导致的肠梗阻引起，并非由纳米粒子的“巨大比表面积”而引起。这些事例表明，尺寸效应并非纳米毒性的根源。

综上所述，停留在化学分子水平上的尺寸效应毒性根源学说，不能揭示纳米毒性的本质。

纳米毒性产生的生物学基础

生命系统是一种特殊的物质形式，生命的本质是水中的有序化学运动。细胞是生命的最小单元，细胞由膜包围，胞内充满高浓度的分子溶液，细胞从外部环境中摄取分子原料，并在水中有序排列而自我复制。4类小分子有机物：碳水化合物、核苷酸、氨基酸和脂类构成了细胞的基石。所以，生命系统是以分子为“砖瓦”搭建的建筑。细胞的分子建筑形式决定了细胞的运转机制。也就是说，由于生物体是在水中由分子构建的生物化学系统，一切生命活动也都是基于分子与分子之间的相互作用。无论是物质代谢、能量转化、信息传递、免疫调节以及自我复制等各种生理机能的完成，都是在水中的生物活性分子之间物理、化学相互作用的表现。

当然，生命体同样会遭遇到非“分子态”的颗粒，例如病毒、凋亡细胞、变性大分子等。这些异物一般在纳米至微米的尺度，但并未产生类似纳米颗粒的毒性，这是因为机体存在着“自净系统”，即这些有机颗粒被细胞吞噬后可降解成小分子，或经肾脏排出或经生物转化。但对纳米药物惰性载体这类不可降解的颗粒而言，“自净系统”就鞭长莫及了。这些大颗粒异物一旦进入血液或组织，虽然可被细胞吞噬，但因组成和结构不符合机体“分子工厂”对代谢底物的要求，所以不能被破坏降解，更不存在直接利用这些颗粒的途径，因此一旦侵入生物体便会在体内长期驻留，这势必会引发一系列问题。

物理损伤是纳米毒性的根源

为什么用经典毒理学方法研究纳米毒性陷入困境呢？我们知道，经典毒理学是从物质的化学结构出发，旨在研究溶于水中的分子对生物体的毒性作用，而不可降解的纳米材料是一种颗粒形式，分子的化学性质表现于“分子化”状态，粉末再小在本质上也属于宏观颗粒，主要呈现物理特性。用经典毒理学去阐释颗粒与生物体的作用机理难免捉襟见肘。“纳米化”即有毒的观点固然偏颇，但尺寸的大小确实会影响物质的物理特性。

相似相溶是化学中关于物质溶解性的经验规律，纳米材料应用于生物体内所造成的损伤其实也遵循着类似的规则：即空间体积相当的物体之间易于产生接触扰动的相互作用，我们称之为“相当相应”。具体而言，纳米颗粒的尺寸会影响其生物毒性，但这种“尺寸效应”本质上是由于生物大分子、生物膜、细胞器乃至细胞，均处于纳米的尺寸范围，而纳米颗粒与生物体内的基本单元结构处在同一量级水平上，具备了发生相互扰动的基础。笔者课题组一直致力于生物医药纳米技术研究，剖析纳米毒性的本质，提出“物理损伤是纳米毒性的根源”新学说。

物理损伤是指在外力作用下发生的物理作用，造成生物大分子、细胞器、细胞等的形态结构改变或空间障碍，导致相应结构的功能异常。物理损伤包括3层含义：第一，无法有效参与分子级别相互作用和分解代谢的具有物理实体性的纳米颗粒，是造成损伤的基础。第二，藉由与生物大分子、细胞器、细胞间力的相互作用和空间点位关系，对目标产生结构形变或破坏，是造成损伤的本质。第三，经物理损伤刺激后的生化反应是物理损伤的后效应。

痛风是一个纳米粒物理损伤的典型例证。痛风由血尿酸浓度过高造成尿酸钠晶体析出而引发。我们通过对PMN细胞和hepg-2细胞的体外实验证明，尿酸纳晶有毒性，而尿酸溶液基本无毒。尿酸纳晶粒径越小，毒性越大，因为其越容易进入胞内。而恢复实验证明，对于胞内的纳晶，粒径越大，毒性越大，因为其越难溶解。这说明尿酸纳晶的析出与溶解是毒性产生和消失的决定性因素，毒性的根源来自尿酸钠晶的颗粒性，即物理损伤。

基于物理损伤的纳米药物递送系统

基于物理损伤原理，只有生物相容且生物可降解的纳米材料才具备开发为药物递送载体的资质。这些纳米材料在体内遵循暴露-分布-降解-代谢的基本途径，发挥作用的同时能将毒副作用降到最低。蛋白质、磷脂、天然或者人工合成的纳米级别聚合物，都具备生物可降解性与生物相容性。

生物可降解性外源性的纳米材料进入生物体后将与对应体积的组织、细胞和细胞器发生相互作用，其毒性表现基本可分为两种情况：可降解的纳米颗粒若被细胞吞噬，则将在细胞内降解变成小分子，然后参与生物体的代谢和排泄；若未被吞噬，亦可在体液中降解或自身溶解分散后被代谢排出体外，此类毒性相对较小。而不可降解的纳米颗粒虽然同样可以进入细胞，却因化学惰性而难以降解，滞留其中，阻碍组织微循环，黏附、卡嵌或直接损伤细胞，最终导致细胞功能障碍，甚至死亡，而这些颗粒仍会入侵下一个细胞，引发一系列后继毒性反应。

生物相容性生物相容性是指材料与生物体之间产生的各种生物、物理、化学等反应，包括两大原则：一是生物安全性原则，指生物材料对人体可能的伤害；二是生物功能性原则，指其在特殊应用中“能够激发宿主恰当地应答”的能力。正常情况下，造成免疫应答反应发生的外源物质能够被体内蛋白质吸收，如调理素等，从而“中和”造成紊乱的免疫反应。但当造成该免疫反应的外源物质是生物不可相容的纳米粒时，该物质不仅不被调理素吸收，还会使调理素等蛋白失活。虽然纳米颗粒的尺寸、形状、亲水性、表面电荷、表面修饰、刚性等能在一定程度上影响其生物相容性，但不能从根本上改变颗粒的毒性。如聚乙二醇（PEG）修饰可以减缓粒子被机体调理化的进程，但结合不相容颗粒的侧链残基导致的代谢改变反而会产生更多的不确定性。