纳米二氧化硅是当前世界上最常用的工程化纳米材料，被广泛应用于材料、化妆品及生物医药等领域。因此，纳米二氧化硅可以很容易的通过吸入、摄入，经皮渗透以及用于医疗目的的注射等途径进入人体，而研究者认为吸入途径是人群暴露纳米颗粒的主要途径，吸入的纳米颗粒可以引起肺部的炎症反应和上皮细胞增生，还可以通过“血肺屏障”进入循环系统。但是，关于纳米二氧化硅颗粒引起心血管系统生物学效应的研究报道较少，生物效应机制尚未明确。本研究中，采用三种纳米二氧化硅颗粒（30,60及90nm）为实验组和一种亚微米二氧化硅颗粒（600nm）为对照组，每种粒径颗粒以三种剂量浓度（2mg/Kg·bw，5mg/Kg·bw和10mg/Kg·bw）非暴露式气管内滴注Wistar大鼠为模型，隔日，滴注15次，生理盐水为阴性对照组，研究纳米二氧化硅颗粒对Wistar大鼠心血管系统的影响，探讨纳米颗粒粒径相关的心血管毒性效应以及相关机制。为评价纳米材料吸入机体后致心血管生物效应提供实验依据。本研究中采用透射电子显微镜，电感耦合等离子体质谱，以及动态光散射粒度分析仪对纳米二氧化硅颗粒进行表征；通过东方鲎细胞溶解物内毒素检测试剂检测实验用颗粒悬液中的内毒素；通过称量Wistar大鼠的体重变化，心脏脏器系数以及大鼠外周血清中红细胞、白细胞、血小板以及血红蛋白的细胞数等指标评价纳米二氧化硅颗粒对大鼠的一般毒性；采用电感藕合等离子体发光光谱测定心脏组织及血清中的硅含量；采用苏木精-伊红染色法观察大鼠的心脏组织形态学改变；采用透射电子显微镜观察心脏组织超微结构改变；采用ELISA法测定活性氧、肿瘤坏死因子-α、白介素-6、白介素-lβ、内皮素-1、细胞间细胞黏附分子-1、血管细胞粘附分子-1、P选择素、D二聚体、诱生型一氧化氮合成酶、内皮型一氧化氮合成酶、心肌型肌酸激酶同功酶以及高敏C反应蛋白的变化；采用生物化学法检测超氧化物岐化酶、谷胱甘肽过氧物酶、谷胱甘肽、丙二醛、乳酸脱氢酶、一氧化氮以及一氧化氮合酶的变化；采用TUNEL法原位检测心肌细胞凋亡；采用免疫组织化学法检测大鼠心肌组织损伤相关蛋白TGF-β1、Bax、Bcl-2及Caspase-3的表达1纳米二氧化硅颗粒的表征Si600、Nano-Si90、以及Nano-Si60二氧化硅颗粒呈椭球形，大小无差别，分布均匀一致，单分散性较好，并未发生聚集，但Nano-Si30颗粒在应用液中发生轻微聚合，单分散性较差；本研究中所用二氧化硅颗粒具有较高纯度，且颗粒水混悬液中不含有内毒素。2纳米二氧化硅颗粒对大鼠一般毒性作用四种粒径二氧化硅颗粒不同染毒剂量组大鼠体重变化与正常对照组大鼠体重变化相比较，呈下降趋势，心脏脏器系数未见明显变化。与对照组相比，各染毒剂量组的外周血中的WBC与PLT数目都有显著升高（P＜0.05），并呈现一定的粒径、剂量-效应关系；Nano-Si90，Nano-Si60，Nano-Si30各染毒剂量组以及si600的高剂量染毒组中的RBC计数和HGB浓度均显著高于对照组（P＜0.05），但是四种粒径二氧化硅颗粒各染毒剂量组间的RBC计数和HGB浓度变化无显著性（P＞0.05）。3纳米二氧化硅颗粒对大鼠心脏组织形态学的影响Si600暴露组的中、低剂量组的大鼠心肌纤维排列整齐，无断裂，细胞间隙正常，未发现水肿；高剂量组大鼠的心肌细胞间隙增大，心肌纤维出现断裂和少量的增生。三种不同粒径的纳米二氧化硅染毒组，大鼠心肌组织的细胞间隙都出现增大现象，心肌纤维出现断裂，细胞边界不清，高剂量组大鼠心肌层可见纤维组织增生，心肌细胞出现固缩，固缩区的心肌细胞横纹消失。结果表明，随着二氧化硅粒径的减小，作用剂量的增大，心肌细胞的损伤程度有加重的趋势。4电镜观察大鼠心肌组织的改变结果显示：对照组大鼠心肌纤维排列整齐，线粒体膜完整，无水肿，闰盘完整，内膜嵴密度正常；Si600暴露组大鼠心肌肌丝纤维排列整齐，闰盘完整，线粒体肿胀，局部空化，嵴断裂消失；纳米二氧化硅暴露组大鼠心肌肌丝纤维可见断裂，闰盘解离，线粒体肿胀，还有线粒体出现固缩，局部空化，内膜嵴断裂消失，间质中胶原纤维增多；线粒体与内皮细胞胞浆内可见电子密度较高的粒子。5纳米二氧化硅颗粒致大鼠氧化应激损伤与对照组比较，各染毒组血清中的ROS水平均升高，差异均有统计学意义（P＜0.05）；相同粒径的二氧化硅颗粒，呈现出剂量效应关系；在同一剂量组，Nano-Si30、Nano-Si60以及Nano-Si90暴露组的高、中剂量组血清ROS水平均高于Si600暴露，差异均有统计学意义（P＜0.05）。Nano-Si30、Nano-Si60以及Nano-Si90暴露组的高、中剂量组血清MDA水平高于对照组，差异均有统计学意义（P＜0.05），Si600暴露组高剂量组血清MDA水平均升高，差异均有统计学意义（P＜0.05），中、低剂量组血清MDA水平也升高，但差异均无统计学意义（P＜0.05）；与低剂量组比较，各染毒组高剂量组血清中MDA水平均升高，差异均有统计学意义（P＜0.05）；Nano-Si30、Nano-Si60暴露组高剂量组血清中MDA高于中剂量组，差异均有统计学意义（P＜0.05）。与对照组比较，Nano-Si60，Nano-Si30暴露组的中、高剂量组以及Nano-Si90暴露组的高剂量组血清中的SOD水平显著降低（P＜0.05）；四种不同粒径的二氧化硅颗粒暴露组中高剂量组血清中的GSH-Px水平明显降低。6纳米二氧化硅颗粒对心血管系统炎症因子的影响全部的实验组血清中的hs-CRP, TNF-α, IL-1β以及IL-6水平均高于对照组（P＜0.05）；在同一粒径暴露组，随着剂量的增大，四种粒径的二氧化硅颗粒暴露组血清中的hs-CRP水平显著升高（P＜0.05）；Nano-Si90，Nano-Si60以及Nano-Si30暴露组的高剂量组血清中TNF-α与IL-1β水平，与对照组相比显著升高（P＜0.05）；Nano-Si30与Si600暴露组的高剂量组血清中的IL-6水平高于其在低、中剂量组的水平（P＜0.05）。在同一剂量组，Nano-Si90, Nano-Si60及Nano-Si30暴露组的中、高剂量组血清中的hs-CRP显著高于其在Si600暴露组的水平（P＜0.05）；与Nano-Si90, Nano-Si60暴露组相比较，Nano-Si30暴露组的中、高剂量组血清中的hs-CRP水平明显升高（P＜0.05）；Nano-Si60与Nano-Si30暴露组的高剂量组血清中的IL-1β显著高于其在Si600暴露组的水平（P＜0.05）；Nano-Si30全部实验组、 Nano-Si60暴露组的高、低剂量组以及Nano-Si90暴露组的中剂量组血清中的IL-6水平明显高于Si600暴露组（P＜0.05）。7大鼠凝血系统和内皮功能紊乱的血液学指标的改变四种不同粒径二氧化硅颗粒全部实验组的D-dimer、ET-1以及P-selectin均明显高于对照组（P＜0.05）；在同一粒径实验组，四种粒径的二氧化硅颗粒暴露组的高剂量组中的D-dimer与ET-1水平明显高于其在中、低剂量组（P＜0.05）；Nano-Si90、Nano-Si60、及Nano-Si30暴露组的高剂量组P-selectin水平明显高于其在中、低剂量组（P＜0.05）；Nano-Si90、 Nano-Si60及Nano-Si30暴露组的中剂量组D-dimer、ET-1及P-selectin水平明显高于其在低剂量组（P＜0.05）；在相同剂量组，Nano-Si30暴露组的高剂量组以及Nano-Si90与Nano-Si60暴露组的中、高剂量组的D-dimer与ET-1水平，以及nano-si30暴露组的高剂量组P-selectin水平均明显高于Si600实验组（P＜0.05）。除了Si600暴露组的低剂量组，四种粒径二氧化硅颗粒全部实验组血清中的sICAM-1与sVCAM-1水平均高于对照组（P＜0.05）；在同一粒径组，四种粒径二氧化硅颗粒暴露组的高剂量组血清中的sICAM-1水平明显升高（P＜0.05）；Nano-Si90、Nano-Si60及Nano-Si30暴露组的中剂量组血清中的sICAM-1与低剂量组比较明显升高（P＜0.05），而且，Nano-Si90、 Nano-Si60及Nano-Si30暴露组的高剂量组血清中的sICAM-1水平明显高于其在Si600实验组（P＜0.05）；与中剂量组比较，Nano-Si60与Nano-Si30暴露组的高剂量组血清中的sVCAM-1明显升高（P＜0.05），但是只有Nano-Si90、Nano-Si60以及Nano-Si30暴露组的高剂量组血清中的sVCAM-1水平明显高于Si600实验组（P＜0.05）。四种粒径二氧化硅颗粒全部实验组的NO水平以及NOS与eNOS的活性均明显低于其在对照组（P＜0.05）；但是，除了四种粒径二氧化硅颗粒的低剂量组及Si600暴露组的中剂量组，其他各实验组血清中的iNOS均明显高于对照组（P＜0.05）；在同一粒径实验组，四种粒径的二氧化硅颗粒各实验组、与Nano-Si90、Nano-Si60及Nano-Si30三种纳米二氧化硅颗粒暴露组的中剂量组血清中的NO水平明显低于其在低剂量组（P＜0.05）；Nano-Si90、Nano-Si60及Nano-Si30三种纳米二氧化硅颗粒暴露组的高剂量血清中的NOS及eNOS水平均有明显降低（P＜0.05）；在相同剂量实验组，Nano-Si90、Nano-Si60及Nano-Si30三种纳米二氧化硅颗粒暴露组的中、高剂量组血清中的NO水平明显低于其在Si600实验组（P＜0.05）；同Si600实验组比较，只有Nano-Si60与Nano-Si30暴露组的高剂量组血清中的NOS与eNOS水平以及Nano-Si90暴露组的高剂量组血清中的NOS水平具有明显降低（P＜0.05）；然而，在同一粒径实验组，Nano-Si90、Nano-Si60及Nano-Si30三种纳米二氧化硅颗粒暴露组的高剂量组血清中的iNOS水平明显高于其在低、中剂量组（P＜0.05）。气管滴注四种粒径二氧化硅颗粒后，各染毒组心肌TGF-β1蛋白表达均升高，除Si600暴露组的低剂量组，其它各染毒组的心肌胞浆黄染程度均高于对照组，并随着染毒剂量升高和粒径的减小，染色程度变深，除Si600暴露组的低剂量组，四种粒径二氧化硅颗粒暴露组的其它各实验组心肌TGF-β1的灰度值均明显低于对照组（P＜0.05）。8纳米二氧化硅颗粒暴露致大鼠心肌细胞凋亡与对照组比较，各染毒剂量组血清中LDH含量均升高，差异均有统计学意义（P＜0.05）；同一粒径二氧化硅颗粒下，各粒径二氧化硅颗粒暴露组高剂量组血清中LDH含量高于中、低剂量组，差异均有统计学意义（P＜0.05）；在同一粒径二氧化硅颗粒下，Nano-Si30、Nano-Si90、Si600暴露组的中剂量组血清中LDH含量高于低剂量组，差异均有统计学意义（P＜0.05）；在同一剂量下，与Si600暴露组比较，Nano-Si30高剂量组血清中LDH含量显著增高，差异有统计学意义（P＜0.05）；在同一剂量下，其他粒径二氧化硅颗粒染毒组血清中LDH含量比较，差异均无统计学意义（P＜0.05）。TUNEL测定心肌细胞凋亡结果发现，正常对照组大鼠心肌细胞的细胞核出现褐色染色。除Si600暴露组的低剂量组，其它各染毒组的心肌细胞细胞核褐色染色的数量高于对照组，并随着染毒剂量升高和粒径的减小，数量也随之增加，除Si600暴露组的低剂量组，四种粒径二氧化硅颗粒暴露组的其它各实验组的灰度值均明显低于对照组（P＜0.05）。气管滴注四种粒径二氧化硅颗粒后，各染毒组心肌Bax蛋白表达均升高，Bcl-2蛋白表达降低，除Si600暴露组的低剂量组，四种粒径二氧化硅颗粒暴露组的其它各实验组心肌Bax蛋白表达的灰度值均明显低于对照组（P＜0.05），而四种粒径二氧化硅颗粒暴露组的其它各实验组心肌Bcl-2蛋白表达的灰度值均明显高于对照组（P＜0.05）；各染毒组心肌Caspase-3蛋白表达均升高；除Si600暴露组的低剂量组，四种粒径二氧化硅颗粒暴露组的其它各实验组心肌Caspase-3蛋白表达的灰度值均明显低于对照组（P＜0.05）。通过本次实验研究，发现四种粒径的二氧化硅颗粒在其低剂量组(2mg/Kg·bw)就可以对心血管系统产生毒性影响，并且颗粒在低剂量组产生的毒性效应没有明显差异。气管滴注纳米二氧化硅颗粒可以通过肺泡-毛细血管壁屏障进入到循环系统。暴露不同粒径的纳米二氧化硅颗粒的雄性Wistar大鼠，表现出剂量-效应和粒径-效应关系，并且纳米二氧化硅颗粒可以通过循环系统进入到心脏，并在心脏中蓄积。气管滴注纳米二氧化硅颗粒可以引起大鼠产生炎症反应，氧化应激以及内皮系统紊乱。活性氧(ROS)的产生可能是纳米二氧化硅颗粒引起心血管毒性效应的机制之一。此外，我们首次发现内皮NO/NOS系统紊乱是纳米二氧化硅颗粒引起内皮系统紊乱的可能机制之一。本实验的结果可为生态系统和人类健康评价纳米二氧化硅颗粒的安全性提供了一定的科学根据。