纳米二氧化硅是目前世界上和我国大规模工业化生产产量最高的一种纳米粉体材料,被广泛应用于化工生产、建筑材料、化妆品、生物医学等多个领域,随着纳米二氧化硅颗粒的大规模生产和广泛应用,人群的暴露机会日益增加,肺脏又是颗粒物质最直接、最主要的靶器官。因此有必要对纳米二氧化硅的肺毒性进行研究。研究表明：纳米颗粒的粒径越小,自身的化学反应性就越高。部分体外研究结果显示纳米颗粒所产生的生物学效应与粒径相关,但体内研究资料还尚少。本研究中,以亚微米二氧化硅颗粒为对照粒子(600nm),比较不同粒径纳米二氧化硅颗粒(90nm、60nm、30nm)可能产生的肺毒性效应及相关机制,为纳米材料的安全性评价提供实验依据。本研究采用非暴露式气管内滴注纳米材料悬液的方式染毒雄性Wistar大鼠,隔日滴注共16次,阴性对照组为生理盐水对照组,染毒剂量为2 mg/kg.bw、5 mg/kg.bw和10mg/kg.bw。采用透射电子显微镜(TEM)及动态光散射粒度分析仪(DLS)对纳米二氧化硅颗粒进行表征；通过测定体重变化、肝肾脏器系数、外周血清生化指标、肝、肾病理变化等指标评价纳米颗粒对大鼠的一般毒性；采用ICP-OES测定肺组织硅含量；采用HE染色观察大鼠的肺组织形态学改变；采用透射电子显微镜(TEM)观察肺组织超微结构改变；采用生物化学法检测肺组织内羟脯氨酸含量及肺泡灌洗液中总蛋白(TP)、乳酸脱氢酶(LDH)、总抗氧化力(T-AOC)、超氧化物岐化酶(SOD)、丙二醛(MDA)；采用ELISA法测定肺泡灌洗液活性氧(ROS)、白介素-1(IL-1)、白介素-6(1L-6)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的变化,采用免疫组织化学法检测肺组织蛋白NF-κB、TGF-β1、Fas、FasL、caspase-8、caspase-3表达。1纳米二氧化硅颗粒的表征纳米二氧化硅颗粒的表征结果显示：在高纯水中四种颗粒均呈椭球形、大小均一,Nano-Si30在生理盐水中发生轻微团聚,而其它三种颗粒Si600、Nano-Si90、Nano-Si60在生理盐水中均能保持良好的分散性,三种纳米颗粒在生物体内均呈椭球性、大小均一,并未发生聚集。2纳米二氧化硅颗粒对大鼠一般毒性作用研究结果显示各暴露组大鼠体重、肝肾脏器系数以及肝脏和肾脏均未见明显变化。血液生化学测定结果显示纳米二氧化硅对肝脏和肾脏具有一定的损伤作用。3纳米二氧化硅颗粒对大鼠肺组织形态学的影响病理结果显示,各二氧化硅颗粒暴露组肺泡壁充血,肺泡间隔增宽,肺泡间隔单核巨噬细胞浸润和淋巴细胞浸润,肺泡腔内可见脱落的上皮细胞,肺内支气管周围淋巴结增大,肺内散在细胞性结节,随着粒径尺度的降低,肺泡间隔增宽程度有严重趋势。免疫组化结果显示,胞浆阳性表达细胞中可见散在双核或多核细胞,随着剂量的增加和粒径尺度的降低,阳性表达细胞中双核细胞和多核细胞发生率呈上升趋势。4纳米二氧化硅颗粒对大鼠肺组织超微结构的影响电镜结果显示各二氧化硅颗粒暴露组肺泡Ⅱ型上皮细胞微绒毛减少,核基质空化,内质网轻度扩张,板层小体空泡化,且随着颗粒粒径的减小,空泡增多,增大；肺泡巨噬细胞胞质内溶酶体增多,线粒体肿胀。在Nano-Si60和Nano-Si30暴露组肺泡Ⅱ型上皮细胞和肺泡巨噬细胞胞质内均可见纳米颗粒,而Nano-Si90暴露组仅在肺泡巨噬细胞胞质内观察到纳米颗粒。纳米颗粒以散在或成簇的形态分布于胞质中。5纳米二氧化硅颗粒对大鼠肺组织羟脯氨酸含量的影响肺组织羟脯氨酸含量均随着剂量的增加和粒径的减小而升高,Si600暴露组与对照组比较无明显差异(P>0.05),在高剂量水平上,Nano-Si90、Nano-Si60、Nano-Si30暴露组组羟脯氨酸含量明显高于对照组和Si600暴露组(P<0.05)。6纳米二氧化硅颗粒对大鼠肺组织硅含量的影响各二氧化硅颗粒暴露组肺组织内硅含量与对照组比较明显升高(P<0.05),随着剂量的增加硅含量升高,各剂量组间肺组织硅含量差异显著(P<0.05)。但各粒径暴露组间比较无明显差异(P>0.05)。7纳米二氧化硅对大鼠肺组织炎性因子含量的影响Si600和Nano-Si90暴露组,IL-6和TNF-α水平随着剂量增加而升高(P<0.05),且各剂量组IL-6水平均明显高于对照组(P<0.05),高剂量组TNF-α水平明显高于对照组(P<0.05)；Nano-Si60和Nano-Si30暴露组,IL-1、IL-6、TNF-α水平随着剂量增加而升高(P<0.05),且各剂量组IL-6水平均明显高于对照组(P<0.05),Nano-Si60高剂量组TNF-α和IL-1水平明显高于对照组(P<0.05),Nano-Si30暴露组,中、高剂量组IL-1水平明显高于对照组(P<0.05),低、高剂量组TNF-α水平明显高于对照组(P<0.05)。在低剂量水平上,Nano-Si30暴露组TNF-α水平明显高于Nano-Si90Si600暴露组；高剂量水平上(P<0.05),Nano-Si30暴露组TNF-α、IL-1水平明显高于Si600暴露组(P<0.05),IL-6水平明显高于Nano-Si60、Nano-Si90、Si600暴露组(P<0.05)。8纳米二氧化硅对大鼠肺组织的氧化应激水平的影响各暴露组ROS水平均明显高于对照组(P<0.05),Si600暴露组,中、高剂量组LDH和SOD活力与对照组比较具有明显差异(P<0.05),高剂量组T-AOC活力明显高于对照组(P<0.05)。Nano-Si90暴露组,高剂量组LDH活性均明显高于对照组,各剂量SOD、T-AOC活力明显低于对照组(P<0.05)。Nano-Si60和Nano-Si30暴露组,各剂量组LDH、SOD和T-AOC活力与对照组比较差异明显(P<0.05)。中剂量水平上,Nano-Si30暴露组T-AOC活力明显低于Si600暴露组(P<0.05)。在高剂量水平上,Si600暴露组SOD活力明显低于Nano-Si60和Nano-Si30暴露组(P<0.05),Nano-Si30暴露组LDH活力明显高于Nano-Si60、Nano-Si90、Si600暴露组(P<0.05),且Nano-Si30暴露组ROS水平明显高于Si600暴露组(P<0.05)。9纳米二氧化硅对大鼠肺组织凋亡的影响实验结果显示肺组织细胞凋亡率随着剂量的增加和粒径的减小而升高,Si600和Nano-Si90暴露组,中、高剂量组凋亡率均明显高于对照组(P<0.05),Nano-Si60和Nano-Si30暴露组,各剂量组凋亡率均明显高于对照组(P<0.05)。在低剂量水平上,Si600暴露组凋亡率明显低于Nano-Si30暴露组(P<0.05)；高剂量水平上,Si600暴露组凋亡率明显低于Nano-Si90、Nano-Si60和Nano-Si30 (P<0.05)。10纳米二氧化硅对大鼠肺损伤相关蛋白表达的影响免疫组化结果显示,Si600暴露组,中、高剂量组TGF-β1、NF-κB, Fas、FasL、Caspase-8、Caspase-3阳性细胞平均光密度均明显高于对照组(P<0.05)；Nano-Si90暴露组,中、高剂量组TGF-β1、NF-κB、Fas、Caspase-8阳性细胞平均光密度均明显高于对照组(P<0.05),且各剂量组FasL、Caspase-3阳性细胞平均光密度均明显高于对照组(P<0.05)；Nano-Si60暴露组,中、高剂量组TGF-β1, NF-κB阳性细胞平均光密度均明显高于对照组(P<0.05),且各剂量组Fas、FasL、Caspase-8、Caspase-3阳性细胞平均光密度均明显高于对照组(P<0.05)；Nano-Si30暴露组,各剂量组TGF-β1, Fas、FasL、Caspase-8、Caspase-3阳性细胞平均光密度均明显高于对照组(P<0.05)。在低剂量水平上,Si600暴露组TGF-β1和Caspase-3阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si30暴露组(P<0.05),Si600暴露组Fas和Caspase-8β日性细胞平均光密度明显低于Nano-Si60和Nano-Si30暴露组(P<0.05),Nano-Si90和Nano-Si60暴露组Fas阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si30暴露组(P<0.05),Si600暴露组NF-κB和FasL阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si90、Nano-Si60和Nano-Si30暴露组(P<0.05),Nano-Si90暴露组FasL、Caspase-3阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si30暴露组(P<0.05)；在中剂量水平上,Si600暴露组NF-κB阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si30暴露组(P<0.05),Nano-Si30暴露组TGF-p1和FasL阳性细胞平均光密度明显高于Si600、Nano-Si90和Nano-Si60暴露组(P<0.05),Si600和Nano-Si90暴露组Fas阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si60和Nano-Si30暴露组(P<0.05),Si600和Nano-Si90暴露组Caspase-3阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si30暴露组(P<0.05)；在高剂量水平上,Si600暴露组TGF-β1和Fas阳性细胞平均光密度明显明显低于Nano-Si90、Nano-Si60和Nano-Si30 (P<0.05), Si600暴露组NF-κB阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si60和Nano-Si30(P<0.05),Nano-Si90暴露组NF-KB阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si30暴露组(P<0.05),Nano-Si90和Nano-Si60暴露组Fas阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si30暴露组(P<0.05), Si600和Nano-Si90暴露组FasL阳性细胞平均光密度明显低于Nano-Si60和Nano-Si30 (P< 0.05), Nano-Si30暴露组Caspase-8、Caspase-3阳性细胞平均光密度明显高于Nano-Si600、Nano-Si90和Nano-Si60暴露组(P<0.05)。综上所述,本研究结果显示纳米二氧化硅颗粒暴露可致大鼠肺损伤,且粒径越小损伤程度越严重。氧化损伤、炎症反应及细胞凋亡可能是纳米颗粒二氧化硅致肺损伤的关键环节。本研究的低剂量为WHO空气质量准则规定的PM2.524小时最高限度值,此剂量作用时各尺度纳米暴露组已表现明显的肺毒性效应,各尺度纳米暴露毒性作用可能强于PM2.524,并且已超出大鼠呼吸系统的代偿能力。