背景和目的 纳米材料是指通过在纳米尺度内操纵单个原子、单个分子、原子团或分子团，使物质成分重新排列组合后制造出的新型物质材料，它的几何尺寸达到纳米级尺度。纳米颗粒(nanoparticles)是纳米材料的一种，也叫超微颗粒(ultrafineparticles)，是指大小在1～100nm间的粒子。由于粒径变得极小，具有表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应，颗粒的理化特性发生了根本性的变化，由此产生许多优异的特性，因此有广泛的用途。 纳米SiO2是我国目前产量最大的纳米材料之一。由于纳米二氧化硅具有这些奇异特性而被广泛应用于塑料工程、生物医学工程、杀菌剂、食品加工等几乎所有涉及到常规SiO2粉体的领域。这就意味着纳米SiO2的研究者、生产者、运输者、消费者乃至消费品处理者以及其进入环境后涉及的整个生态系统接触它的机会大大增加。由于纳米SiO2的理化特性发生巨大改变，其生物学效应的性质和强度也可能发生质的变化，因此它对人体健康和生态环境的潜在危害已经引起人们极大的关注。有研究发现多数纳米颗粒的毒性都比同质量微米级颗粒要大，一些原本无毒或低毒的微米级颗粒材料当粒径达到纳米级时，毒性显著增强。以石英为代表的结晶型SiO2对人体的危害的研究已比较充分，可引起多种肺部疾患，其致癌作用也已有足够的动物实验证据和人群流行病学调查证据，于1997年IARC确定为Ⅰ类致癌物。呼吸性石英粉尘在肺中沉积后，与巨噬细胞和上皮细胞相互作用，引起细胞损伤，细胞因子释放，导致炎症及氧化应激，细胞清除能力受抑制，引起肺部纤维化或细胞遗传学损伤，最后引起癌症。但是，对理化特性明显不同于常规材料的纳米SiO2的毒性研究资料却很少，目前仅有少量动物肺部毒性的报道，且研究结果不一：小鼠气管注入纳米硅胶(14nm)，24小时内引发的肺部炎症及肺组织损伤比微米级硅胶(213nm)严重；纳米SiO2染尘1～2个月致肺纤维化效应则比常规SiO2轻。纳米SiO2较之常规结晶型SiO2致大鼠肺急性、亚急性毒作用情况如何以及两种SiO2毒性表现会有什么不同尚且不明。面对纳米SiO2颗粒接触机会逐渐增加的可能性，以及现有纳米SiO2毒理学资料的不足，有必要对纳米SiO2颗粒的毒性进行研究，并与常规SiO2颗粒进行比较，为评价纳米SiO2颗粒的肺毒性及进一步探讨其可能作用机制提供依据。 本实验所用的一次性气管注入法已被广泛用于呼吸毒理学研究领域。各种颗粒物的呼吸毒理学资料显示，大鼠在这两种方式下分别暴露于低溶解性材料产生的一些生物学终点类型，如肺部炎症、纤维化、对感染的易感性、过敏反应以及肺癌发生的情况类似，因此有研究者认为掌握好气管注入法的应用规则，根据不同目的选择性运用气管注入法来研究粉尘的毒理学特征，可以提供同吸入法较一致的有用信息。肺脏是粉尘颗粒物质最直接、最主要的靶器官，而大鼠又是粉尘毒理学研究最敏感的物种，其染尘后支气管肺泡灌洗液(BALF)中多种成份可发生明显变化，通过BALF成分分析可较准确反映肺组织对粉尘的反应，预测粉尘毒性。因此，本实验选用呼吸毒理学资料比较完备的常规SiO2作为参照物，对大鼠进行一次性气管注入法肺部染尘。通过观察不同染尘剂量下大鼠支气管灌洗液(BALF)中细胞总数、总蛋白含量、乳酸脱氢酶(1actatedehydrogenase，LDH)活性、丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxidedismatase，SOD)活性等指标的变化情况，以及不同染尘时间下大鼠BALF中细胞总数、总蛋白含量以及肺组织病理改变和肺纤维表达情况，观察纳米SiO2肺毒作用的剂量效应和时间效应关系，了解纳米SiO2对大鼠肺毒作用情况及与常规SiO2之间的差别，初步建立一种纳米材料呼吸毒理研究的筛选模型，同时为下一步纳米SiO2颗粒吸入毒性研究的剂量选择及其可能作用机制的探讨提供实验依据。 方法 本实验分为两部分，分别观察两种粉尘对大鼠肺毒作用的剂量-效应关系和时间效应关系。 方法剂量效应关系研究：42只SpragueDawley(SD)大鼠按体重随机分成7组，用一次性气管注入法染尘，6组分别注入0.1mg/ml、0.2mg/ml、0.4mg/ml的常规SiO2或纳米SiO2颗粒悬液1ml，对照组注入等体积生理盐水。染尘3天后进行肺泡灌洗，测定两种粉尘染尘大鼠BALF中的白细胞总数、总蛋白含量、LDH活性、MDA含量、SOD活力等，比较两种粉尘致急性肺损伤作用。 时间效应关系研究：72只SD大鼠按体重随机分成12组，每只大鼠气管注入0.6mg/ml的纳米SiO2或常规SiO2颗粒悬液0.5ml，对照组注入等体积生理盐水。于染尘后3、7、14、28天进行右肺肺泡灌洗，测定两种粉尘染尘大鼠BALF中的白细胞总数和总蛋白含量，左肺组织做病理切片，分别用HE染色观察病理改变，VanGiesons(VG)染色观察肺部纤维表达情况，并比较两粉尘致大鼠亚急性肺损伤情况。 结果 剂量效应关系研究中各组间BALF回收量差异无统计学意义(P＞0.05)。0.4mg纳米SiO2组白细胞总数(16.0×106)、LDH(914.29U/L)均比对照组(7.2×106，85.71U/L)和常规SiO2(9.1×106，476.19U/L)高，差异有统计学意义(P＜0.05或P＜0.01)。染尘组的总蛋白含量较对照组有所增高，差异无统计学意义(P＞0.05)。各染尘组MDA仅0.2mg组常规SiO2(2.500nmol/L)比对照组(0.633nmol/L)高，差异有统计学意义(P＜0.05)。两种SiO2各剂量组间MDA差异无统计学意义。0.2mg、0.4mg纳米SiO2组以及0.2mg常规SiO2组的SOD分别为4.133U/ml，4.011U/ml，3.929U/ml，明显低于对照组(6.088U/ml)，有统计学意义(P＜0.01)。0.4mg/ml纳米SiO2组的SOD(4.011U/ml)低于常规SiO2组(4.972U/ml)，有统计学意义(P＜0.05)。 时间效应关系研究中常规SiO2染尘7天肺泡灌洗液回收量低于对照组，差异有统计学意义(P＜0.05)，其他各组间BALF回收量差异均无统计学意义(P＞0.05)。纳米SiO2染尘3、7、14天引起白细胞总数(16.0×106、11.1×106、12.2×106)较对照组(4.7×106、5.3×106、5.6×106)明显增高，差异有统计学意义(P＜0.05或P＜0.01)；其中染尘3天白细胞总数(16.0×106)高于常规SiO2组(5.7×106)差异有统计学意义(P＜0.01)；染尘14、28天总蛋白含量(0.41、0.41g/L)明显高于对照组(0.16、0.19g/L)和常规SiO2组(0.21、0.24g/L)，差异有统计学意义(P＜0.05或P＜0.01)。纳米SiO2染尘3天大鼠肺泡腔出现大量以单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞为主的白细胞浸润，毛细血管充血明显，血管壁出现严重的中性粒细胞、淋巴细胞和嗜酸性细胞浸润。随着时间延长，肺泡腔细胞浸润减轻，间质细胞增多，巨噬细胞体积增大，肺泡壁有所增厚，血管周围炎性浸润减轻。各时间点常规SiO2组白细胞总数和总蛋白含量比对照组稍高，差异无统计学意义(P＞0.05)；常规SiO2染尘3天肺泡腔及血管壁周也有炎性浸润，但浸润情况比纳米SiO2组轻；随染尘时间延长，间质细胞数增加，细胞体积增大，至28天时肺泡壁有所增厚。VG染色结果示两种SiO2染尘28天大鼠肺部均未见明显的胶原纤维分布。 结论 1.纳米SiO2能引起大鼠肺急性损伤，作用比常规SiO2强； 2.纳米SiO2引起肺部损害的颗粒负荷阈值可能比常规SiO2低； 3.在本实验观察期限内，纳米SiO2和常规SiO2致肺纤维化能力可能无明显差别。