口腔纳米材料的神经毒性及作用机制

　　【摘要】 近年来，纳米材料在口腔医学领域如种植体表面改性、抗菌、缓释等方向的应用广泛增加。然而，纳 米材料活跃的理化性能是一把双刃剑，其可能对人体造成潜在安全风险。口腔应用纳米材料可通过多种途 径释放入血液，并随血液穿透血脑屏障进入中枢神经系统。不仅如此，纳米材料还可通过嗅神经、感觉神经 末梢转运直接作用于中枢神经系统，导致中枢神经出现器质性和功能性损伤，甚至引起胚胎发育的神经毒 害。纳米材料在体内能够与细胞、基因及蛋白质等生物分子相互作用，通过诱导氧化应激、炎症反应、细胞自 噬、凋亡及基因毒性等作用机制产生神经毒性。影响纳米材料毒性的因素包括颗粒的大小、作用浓度、溶解 度等。本文对口腔纳米材料的应用、其进入中枢神经系统的途径，以及引起神经毒性的可能机制作一综述。

　　【关键词】 纳米材料; 口腔医学; 种植体表面改性; 抗菌材料; 神经毒性; 血脑屏障; 中枢神经系统; 氧化应激; 自噬; 基因毒性

　　纳米材料是尺寸为 1～100 nm 的颗粒凝聚而 成的材料，由于其尺寸大小与 DNA、蛋白质、病毒 等相近，纳米材料的生物学效应尚未完全清楚。 纳米材料因其独特的性质如小尺寸效应、表面效 应、界面效应、量子效应，使其广泛应用于各大领 域。纳米材料在口腔领域中也有着较大范围的应 用，例如有大量的研究在粘接剂[1] 、种植体表面涂 层[2] 、漱口水[3] 等加入纳米材料;并在肿瘤治疗[4] 、 种植体表面改性[5] 、抗菌[6] 、骨缺损修复[7] 、牙周组 织修复[8]、缓释载体[9]等方面得到广泛运用。

　　口腔材料论文投稿刊物：《中华口腔医学杂志》由中国科学技术协会主管、中华医学会主办、中华口腔医学会协办、《中华口腔医学杂志》编辑委员会编辑、中华医学会杂志社出版的口腔医学专业期刊，创刊于1953年8月。

　　因 此，其潜在的毒性也成为学者们日益关注的热 点。研究证实纳米颗粒通过呼吸道、消化道等方 式进入人体，经过淋巴、血液循环后沉积在靶器 官 ，继 而 穿 透 细 胞 膜 、进 入 线 粒 体 产 生 细 胞 毒 性[10⁃11] 。此外纳米材料还可通过穿过血脑屏障、嗅 神经[12] 、感觉神经末梢[11] 转运作用于中枢神经系 统，可引起一定的神经毒性，造成神经组织损伤。 许多体内和体外研究探索了纳米材料与生物大分 子、细胞、器官和组织的相互作用，发现了纳米材 料 的 生 物 毒 性 可 能 是 由 氧 化 应 激[13]和 炎 症 反 应[14] 、细胞自噬[15] 、基因毒性[16] 等机制引起。为更 好了解口腔纳米材料对中枢神经系统的毒性，以 进一步完善生物安全性评估系统，本文对口腔纳 米材料及其进入中枢神经系统的途径，以及引起 神经毒性的可能机制进行综述。

　　1 纳米材料进入机体的临床途径

　　在生活中，生产研究开发人员、口腔工作者和 患者是最常接触到纳米材料的人群。在临床中， 口腔纳米材料直接用于口腔或者颌面部区域，纳 米材料在吞咽后通过口腔黏膜吸收或通过消化道 轻易进入血液循环、淋巴循环。纳米颗粒进入人 体后，可沉积在肝、心、脑等不同器官。

　　人体暴露 途径主要有皮肤接触、黏膜接触、呼吸道及消化 道等。 在皮肤接触中，研究表明纳米 TiO2在健康的或 受损的皮肤中不会穿透角质层进入活细胞，因此 不会到达全身循环[17] 。纳米颗粒等有可能通过黏 膜由感觉神经末梢摄取，最终沿神经转运。至于 其他暴露途径，纳米颗粒等主要通过呼吸道吸入 体内，沉积在肺泡表面后，经巨噬细胞吞噬作用进 入血液循环，进而进入中枢神经系统产生相应毒 性[10] 。纳米二氧化钛颗粒可通过呼吸系统进入鼻 腔黏膜，并沿神经细胞轴突由鼻异位至脑，最终通过鼻-脑通路的逆行性轴突转运进入脑组织[18] 。

　　2 纳米材料进入中枢神经系统的途径

　　随着人们对纳米材料的深入研究，发现纳米 材料能够通过血脑屏障(blood brain barrier，BBB) 进入中枢神经系统，进而产生一定的神经毒性。 纳米颗粒可以通过以下 3 种途径进入中枢神经系 统：①跨越血脑屏障;②先经鼻黏膜转运至嗅球， 再经嗅神经转运至中枢神经系统;③经感觉神经 末梢直接摄入并转运至中枢神经系统。

　　2.1 血脑屏障

　　血脑屏障由脑微血管内皮细胞(brain micro⁃ vascular endothelial cells，BEMC)及 BEMC 之间广泛 的紧密连接构成，紧密连接由跨膜蛋白(Claudin⁃1 等)、胞浆附着蛋白(ZO⁃1 等)与细胞骨架蛋白相连 而组成，是细胞之间的通透屏障。紧密连接 蛋白表达量、位置分布及结构功能的变化可引起 血脑屏障的通透性发生改变。纳米颗粒主要利用 内皮细胞或胶质细胞的内吞/外排作用穿透血脑 屏障。

　　2.2 嗅觉及味觉神经通路

　　神经系统的内脏感觉传导通路分为一般内脏 感觉和特殊内脏感觉传导通路，其中，嗅觉和味觉 同属于特殊内脏感觉传导通路。纳米颗粒可以通 过鼻腔滴注、舌体滴注分别进入嗅细胞和味蕾，从 而进入嗅觉味觉神经通路，引起神经毒性。 嗅球-大脑的转运途径主要有 2 条通路：嗅神 经通路和三叉神经通路。

　　其中，经由嗅神经入脑途径是转运的主要途径。将纳米材料滴注进入小 鼠的鼻腔之后，可经鼻黏膜沿嗅神经或嗅黏膜上 皮通路进入嗅球，进而到达中枢神经系统，产生神 经毒性[12] 。另外，也有研究发现通过在舌体上滴 注纳米颗粒，其可经由味觉神经通路进入脑组织， 沉积在小脑、大脑皮层和海马等部位[19] 。

　　2.3 感觉神经末梢直接摄入及神经转运

　　研究发现经气管滴注，支气管区域的感觉神 经可摄入纳米颗粒并能将其转运至颈部的迷走神 经节。纳米颗粒还可以被三叉神经分布在口、鼻 腔黏膜的感觉神经末梢摄取，最终沿神经转运至 中枢神经系统[11] 。

　　3 纳米材料对机体的毒性表现

　　根据目前的研究进展，笔者汇总了一些纳米 材料对机体神经系统的损害。其中包括纳米材料 对中枢神经系统的组织损伤、中枢神经系统功能 的影响、胚胎的神经毒性作用。

　　3.1 纳米材料对中枢神经系统的组织损伤

　　3.1.1 体内毒性表现

　　口腔纳米材料会对脑组织 的不同部位有不同程度的损害。经纳米颗粒暴露 的动物会对动物的海马体、纹状体、大脑皮质、小 脑、脑的腹侧表面近端额叶有损伤。纳米材料对 大脑不同分区的损害程度不同，有研究将单壁碳 纳米管通过尾静脉注射至清洁级大鼠，发现纳米 颗粒对其小脑损伤较小，而纹状体和海马的损伤 程度较重。纳米材料损害海马体的结构和细胞、 使其发生了形态、结构及增殖率减少的改变，会影 响机体学习记忆功功能[20] 。纳米材料暴露后的大 鼠大脑皮层和海马组织松解，细胞排列松散。在 海马结构中，海马 CA1 亚区和齿状回是最易受损 的结构。纳米材料的暴露破坏了 CA1 海马区域的 锥体神经元将会影响机体的条件反射和记忆[18] 。

　　3.1.2 细胞毒性表现

　　纳米材料会使神经元变形、 结构破坏，小胶质细胞完整性破坏、变形及活力下 降，还会激活凋亡信号通路使人神经胶质瘤细胞 (SH⁃SY5Y 细胞)发生凋亡、抑制细胞增殖期。研 究发现纳米材料对神经元损害包括突触可塑性改 变，神经元超微结构变化如神经元结构紊乱，核固 缩核膜破坏，部分线粒体膜破坏消失，内质网损 伤，部分细胞溶酶体中还可见黑色聚合物，突触后 膜致密物增厚[11] 。

　　3.2 纳米材料对中枢神经系统功能的损伤

　　纳米材料通过血脑屏障进入中枢神经系统后，通过影响神经元、小胶质细胞的凋亡、自噬以 及不同的形态变化、结构损害等一系列细胞层面 的损害导致组织发生损害，影响高级神经中枢如 躯体感觉中枢、视觉中枢、听觉中枢和嗅觉中枢， 并由此导致大脑功能的损害，主要体现在低级神 经行为如自发性活动及高级神经功能，包括抑郁 行为、颜色的辨知、学习能力及退行性神经功能障 碍等。

　　3.3 纳米材料对胚胎发育的神经毒害

　　机体的血脑屏障是随着年龄的增长逐渐发育 完善的。在胚胎期和幼儿期间，由于血脑屏障的 功能尚未完全建立，因此，纳米材料更易通过血脑 屏障进入到脑组织，进而产生毒性作用。因此，对 纳米材料对胚胎发育的神经毒性应该进行严格评 估。在动物实验研究中发现，纳米材料对胚胎有 神经毒性，可使胚胎致死、胚胎致畸以及造成胎儿 的发育异常。 研究发现，暴露于 100 μg/L 的氧化石墨烯的斑 马鱼胚胎，氧化石墨烯对胚胎的发育影响主要表 现为明显升高斑马鱼死亡率、胚胎畸形如小头畸 形、色素减少的小眼睛或发育不全[21] 。

　　子代的血 脑屏障在怀孕的母体中发育需要一定的时间，血 脑屏障发育完善是胚胎的第 15 天，因此产前暴露， 特别是在屏障未发育完全之前，纳米材料可能更 易通过血脑屏障进入到胎儿的脑组织，进而产生 毒性效应。产前暴露于纳米 ZnO 的孕鼠的子代， 观察到子代大脑中锌的浓度显着升高，神经元异 常凋亡坏死，出现学习和记忆功能障碍[22] 。

　　4 纳米材料的神经毒性机制

　　目前所知的纳米材料所导致的神经毒性反应 包括细胞凋亡、氧化应激、炎症反应、遗传毒性和 细胞成分的直接损伤等。同时，其他因素如信号 传导途径破坏、自噬和 DNA 甲基化、神经递质失调 和 突 触 可 塑 性 也 被 证 明 促 进 纳 米 颗 粒 的 神 经 毒性。

　　5 影响纳米材料毒性的因素

　　影响纳米材料毒性的因素很多，例如颗粒的 大小、数目、浓度、溶解度、物理及化学性质等。

　　5.1 粒径 一般认为，纳米金的粒径越小，越易通过血脑 屏障，能引起更严重的氧化应激和神经损伤，神经 毒性也就越大。细胞凋亡跟纳米颗粒的粒径也有 关，10 nm 纳米二氧化硅诱导细胞凋亡最多，100 nm最少[34] 。对金纳米颗粒研究表明，具有较小直径 的纳米颗粒会促进细胞凋亡[35] 。

　　5.2 形状 一般认为，球形的纳米颗粒比圆柱形、椭球形 或立方形等形状的纳米颗粒更容易被细胞摄取， 也有研究发现，较大长径比的纤维状结构的细胞 毒性比球形结构更大。球形纳米颗粒比棒状纳米 颗粒的细胞毒性更小[36] 。

　　5.3 纳米颗粒的聚集状态、表面修饰 当纳米颗粒大量聚集后形成聚集体，其比表 面积降低，理化性质也随之发生改变，更不易被细 胞吸收，因此对细胞的生物学效应也相对减小。 修饰集团会影响纳米颗粒在体内的分布及其清除 效率，进而产生不同的生物毒性。相比之下，表面 修饰物包被后的纳米材料神经毒性更弱，因为修 饰集团会通过影响纳米颗粒在体内的分布及其清 除效率，产生不同程度的生物毒性[37] 。

　　5.4 暴露剂量和暴露时间 多数纳米颗粒具有剂量依赖性，纳米材料暴 露浓度越高、时间越长，在生物体内的累积量越 大，对生物的毒性也越强。量子点的毒性效应具 有剂量、时间和尺寸依赖性[38] 。类似地，纳米 ZnO 可降低 PC12 细胞的存活率，表现为时间依赖性和 浓度依赖性。多壁碳纳米管也表现出剂量依赖性 的氧化应激诱导作用[39] 。

　　6 总结与展望

　　随着纳米材料在口腔医学领域的应用范围不 断扩大，牙科工作人员和患者对纳米材料的接触 日益增多，因此需要接触生物安全性良好的材 料。中枢神经系统可能是纳米材料的潜在靶器 官，确定纳米颗粒的神经毒性作用至关重要。虽 然近年来纳米颗粒对中枢神经系统的影响受到了 关注，但体内和体外研究仍然有限。目前较为局 限的测试方法和实验模型也使得建立科学评估系 统变得困难。而纳米材料所导致的神经毒性反应 如氧化应激、凋亡、坏死等机制尚未完全清楚。因 此，不同纳米材料的神经毒性作用的机制研究仍 将是下一步研究的重点。

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　　作者：谢琳 1 , 冯晓黎 2 , 邓梓 1 , 马瑞 1 , 胡琛 1 , 邵龙泉 2

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