随着纳米技术与纳米材料的迅速发展，纳米二氧化钛(TiO2)在工业、国防、生物医学等领域有良好的应用前景，但其毒理学资料甚少。本课题从生物整体水平和细胞水平结合生物学和物理化学等技术方法探讨纳米二氧化钛的生物学效应，目的在于揭示纳米二氧化钛的肾毒性作用特征及其相关生物标志物，阐明纳米二氧化钛的肾毒性作用机制，为纳米材料的毒理学和安全性评价提供理论依据。　　 本研究经大鼠尾静脉注射染毒研究纳米二氧化钛的大鼠肾毒性，染毒剂量设置如下：低剂量组1 mg/kg.BW、中剂量组5 mg/kg.BW、高剂量组15 mg/kg.BW。实验发现，纳米二氧化钛的毒性表现主要包括：实验大鼠排尿增多、食欲减退、体重下降，严重者伴有腹泻、步态不稳、震颤等，尤其是高剂量组大鼠表现更为明显。大鼠血清生化指标表明，血清AST、ALP、Cera和BUN与对照组相比明显升高，尤以高剂量组最为明显，而非纳米颗粒物染毒组大鼠的血清生化指标未见改变。病理学检查发现，高剂量组大鼠的肾脏组织出现点状或小灶性坏死；肾近曲小管上皮细胞轻度肿胀，肾皮质和皮髓交界部位肾小管损害明显，肾小管上皮细胞变性坏死，管腔内可见橘红色结晶异物沉积；低剂量组大鼠未出现明显的肾脏损害。结果说明，纳米二氧化钛导致大鼠肾脏结构和功能损害。大鼠的血清、尿液、肾脏组织萃取成分的1H-NMR代谢组学分析结果表明，纳米二氧化钛染毒组大鼠的血清醋酸盐、氮氧三甲胺、肌酐、饱和脂肪酸、(CH2)n、CH2CH2CO、CH2CO和不饱和脂肪酸C=CCH2C=C、CH-CH、磷脂CH2OPO2-、CH2OCOR水平升高，血糖降低；肾组织提取液中乳酸、肌酐升高，谷氨酰胺、牛磺酸和血糖降低：甘油三酯类CH3(CH2)n、(CH2)n和C=CCH2C=C均不同程度升高。高剂量染毒组的代谢产物谱与中剂量染毒组与低剂染毒量组相比差异显著。纳米二氧化钛高剂量染毒组大鼠尿液的柠檬酸、2-酮戊二酸、乳酸、醋酸盐、N-氧三甲胺、糖和氨基酸水平升高和肌酐降低，该结果与大鼠急性肾小管坏死和肾小球滤过功能降低有关。纳米二氧化钛染毒大鼠尿液的时效轨迹分析表明，代谢产物中的醋酸盐、N-氧三甲胺、柠檬酸和肌酐可作为肾毒性的监测指标。纳米二氧化钛以剂量依赖性方式诱导大鼠血清及肾组织中甘油三酯类成分升高。尿液中柠檬酸、2-酮戊二酸降低、血清甘油三酯升高，因此代谢产物中的葡萄糖、醋酸盐、N-氧三甲胺、柠檬酸、2-酮戊二酸、甘油三酯和肌酐可作为纳米二氧化钛诱导肝肾损害的NMR标志物。研究结果表明纳米二氧化钛的肾毒性与细胞氧化应激损伤有关，导致大鼠的脂类代谢和能量代谢紊乱、线粒体结构和功能受损。　　 本文在纳米纳米二氧化钛的细胞毒性作用及毒性作用机制研究中，评价了不同浓度的纳米TiO2颗粒对人胚肾293细胞形态和乳酸脱氢酶(LDH)释放率的影响，并利用AnnexinⅤ-PI染色和流式细胞仪等检测人胚肾293细胞的凋亡、细胞线粒体膜电位和活性氧(ROS)的生成。暴露于高剂量纳米TiO2后293细胞的胞内出现大小不等的空泡，线粒体、内质网及细胞核明显受损。细胞形态学变化呈明显的剂量-效应关系与时间-效应关系。纳米TiO2诱导293细胞活力下降，暴露48h后的IC50值为81.8μg/ml。细胞的线粒体膜电位降低和细胞内活性氧升高，导致293细胞凋亡，进一步诱导细胞脂质过氧化损害。此外，纳米TiO2引起细胞erk和p-erk下降，caspase-3介导了细胞凋亡的发生、caspase-9、caspase-8、细胞色素C和Hsp70水平升高，该结果表明TiO2能够诱导细胞凋亡，并启动细胞的自我保护的应激机制。