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《中国人民解放军军事医学科学院》 2010年
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纳米二氧化硅与碳纳米管典型生物毒性效应研究

林本成  
【摘要】: 随着纳米科技的迅速发展和纳米材料的广泛应用,人们在社会生产和日常生活中对各种纳米材料的暴露机会日益增多。由于纳米颗粒具有特殊的理化性质,可能产生与常规物质不同的生物学效应。因此,纳米材料的生物安全性问题受到广泛关注。本课题选择应用广泛的两种纳米材料:纳米二氧化硅(nm-SiO2)和碳纳米管(CNTs),分别研究其生殖毒性和肝肾毒性效应。 纳米SiO2是目前世界上规模化工业生产产量最高的一种纳米粉体材料,其产品已广泛应用于化工材料以及生物医学等领域。以石英为代表的微米级结晶型SiO2已被证实对人体有很大危害。纳米SiO2的安全性研究也引起了人们的重视,目前关于纳米SiO2的生物安全性研究的报道,主要集中于对呼吸系统的整体及细胞毒性的作用,关于纳米SiO2对生殖功能损伤作用的报道较少。 碳纳米管是最早进行大规模工业化生产的一种纳米材料,在日常生活和生物医学等领域也得到了广泛应用。关于CNTs的毒性效应的研究较为全面和深入,但应用代谢组学技术研究CNTs肝肾毒性效应的报道较少。代谢组学是继基因组学和蛋白质组学发展起来的一种组学技术,可以用于研究化学物引起的内源性代谢物变化,能够直接地反映体内生化状态的改变。 本课题第一部分,研究纳米SiO2对雄性大鼠的生殖功能的损伤效应,并与微米粒径SiO2比较,探讨颗粒粒径对毒性效应的影响;第二部分,应用代谢组学技术研究CNTs对雄性大鼠的肝肾毒性作用及机制。为纳米SiO2和CNTs的安全性评价提供实验依据。 1.纳米二氧化硅对雄性大鼠生殖毒性效应研究: 选取纳米二氧化硅(nm-SiO2)和微米二氧化硅(μm-SiO2),用生理盐水制备染毒悬液,气管滴注法染毒雄性Wistar大鼠。大鼠随机分为5组:生理盐水对照组、高低剂量nm-SiO2组、高低剂量μm-SiO2组。高剂量组为7.5 mg/ kg BW,低剂量组为1.5 mg/ kg BW,隔日染毒1次,共染毒5周。 (1)观察染毒对大鼠附睾精子的影响。精子评价是分析雄性生殖功能的重要指标。结果显示,对照组相比,高低剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组精子数量均显著降低;高剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组精子活动率降低;各染毒组精子畸形率均降低。提示染毒造成了精子功能障碍,并且影响了精子的发生和成熟。在低剂量水平,nm-SiO2较μm-SiO2损伤更为严重。 (2)观察了染毒后大鼠睾丸组织及肺组织形态学的变化。结果显示大鼠睾丸组织形态基本正常,大鼠肺组织产生炎症损伤。说明染毒尚未对睾丸组织造成实质性损伤。 (3)观察染毒对大鼠生殖功能相关激素和酶的影响。染毒后,与对照组相比,高低剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组血清及组织中睾酮(T)含量均显著降低;高剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组卵泡刺激素(FSH)含量升高。说明睾丸间质细胞和支持细胞功能受到损伤,影响了激素的合成和分泌,干扰了下丘脑-垂体-睾丸轴(hypothalamic-pituitary-testicular axis,HPTA)的调节作用。同时,睾丸组织中睾丸功能标志酶的活性也发生了改变:高剂量nm-SiO2组乳酸脱氢酶(LDH)、高剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组琥珀酸脱氢酶(SDH)活性均降低,提示染毒影响了精子线粒体的功能。 (4)检测睾丸组织以及血清中氧化损伤指标的变化。关于纳米材料所产生的生物效应机制,目前主要关注的是氧化应激作用。本实验中,与对照组相比,染毒后高剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组(MDA)含量升高;高剂量nm-SiO2组超氧化物歧化酶(SOD)及谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活力降低。说明SiO2对大鼠睾丸组织产生氧化损伤作用,进而破坏了睾丸和附睾的结构,对精子造成损伤并导致生精功能的障碍。 (5)对睾丸细胞进行了流式细胞分析,检测生精细胞凋亡率及细胞类型的变化。结果显示,与对照组相比,染毒后高低剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组细胞凋亡率升高;同时高低剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组单倍体细胞减少,四倍体细胞增加;高剂量nm-SiO2组及高剂量μm-SiO2组G0/G1期细胞比例减小,G2/M期细胞比例增大。说明SiO2可能对大鼠生精细胞的有丝分裂产生抑制作用,阻滞了细胞周期进程,诱导生精细胞凋亡。 (6)雄鼠染毒后与正常成年雌鼠按1:2合笼交配,于妊娠第20天各组处死一半雌鼠,检查胎鼠情况;另一半雌鼠自然分娩,检查仔鼠情况。结果显示,与对照组相比,染毒后高低剂量nm-SiO2组大鼠交配率及所产胎鼠数量显著降低,各组胎鼠及仔鼠生长发育指标无显著差异。说明纳米SiO2对雄性大鼠染毒影响了大鼠交配及胚胎形成,可以影响动物交配以及胚胎形成,但对于成功受孕后的胎鼠影响不明显。 实验结果说明SiO2染毒后对大鼠睾丸组织造成了氧化损伤作用,影响了生殖器官的结构、代谢,从而改变精子生存的内环境,并且影响了性激素的合成和分泌,损伤生精细胞,诱导生精细胞凋亡。本实验条件下,在高剂量水平,nm-SiO2与μm-SiO2均造成各指标的改变,但在低剂量水平时,与μm-SiO2相比,nm-SiO2表现出更为严重的损伤作用。 2.应用代谢组学技术研究CNTs对大鼠的肝肾毒性作用 用生理盐水制备CNTs染毒悬液,气管滴注法染毒雄性Wistar大鼠。大鼠随即分为四组,高剂量组为22.5 mg/ kg BW,中剂量组为15 mg/ kg BW,低剂量组为7.5 mg/ kg BW,生理盐水作为对照组。每日染毒1次,连续染毒15次。 (1)大鼠肝肾功能相关生化指标检测及肝肾组织学观察。染毒后与对照组相比,高剂量组白蛋白(ALB)、碱性磷酸酶(ALP)、总蛋白(TP)含量均显著降低;中剂量组TP含量显著降低;低剂量组谷草转氨酶(AST)含量显著降低。各组尿酸(UA)、肌酐(CR)、尿素氮(BUN)含量无显著差异。各组大鼠肝脏病理切片观察,各染毒组可见小灶性炎细胞,肝细胞脂肪变性,高剂量组可见部分肝细胞肿胀,肝灶性坏死。各组大鼠肾脏病理切片未见明显异常改变。 (2)观察大鼠尿液代谢表型的变化。染毒后收集24h尿液,制备分析样品,运用NMR测定1H核磁共振谱,对数据进行积分后采用PLS-DA分析法进行分析。结果表明,CNTs染毒后大鼠尿液代谢组在得分图中呈聚类型分布,说明在CNTs的作用下,大鼠尿液代谢组模式出现了显著变化。与对照组相比,染毒组乙酸和氧化三甲胺的浓度增加,几种三羧酸循环中间产物(2-酮戊二酸、琥珀酸、柠檬酸)和肌酐浓度降低。 (3)观察大鼠血浆代谢表型的变化。结果表明,CNTs染毒后大鼠血浆代谢组在得分图中呈聚类型分布,说明在CNTs的作用下,大鼠血浆代谢组模式出现了显著变化,与对照组相比,染毒组乳酸、胆碱、O-乙酰糖蛋白含量升高,而血糖、血脂、低密度脂蛋白含量降低。说明CNTs染毒后肝脏糖酵解过程加强,肝脏脂肪酸β氧化过程产生的乙酰CoA不能完全进入三羧酸循环氧化产能,从而转向生成酮体。 (4)观察大鼠肝组织代谢表型的变化。结果表明,CNTs染毒后大鼠肝脏代谢组在得分图中呈聚类型分布,但高剂量组和低剂量组基本重合。说明在CNTs的作用下,大鼠尿液代谢组模式出现了显著变化,但剂量效应并不明显。与对照组相比,染毒组乳酸、糖和糖原、多不饱和脂肪酸含量降低;TMAO、胆碱、磷酸胆碱含量升高。 (5)观察大鼠肾组织代谢表型的变化。结果表明,CNTs染毒后大鼠肾脏代谢组在得分图中呈聚类型分布,说明在CNTs的作用下,大鼠尿液代谢组模式出现了显著变化,与对照组相比,染毒组乳酸、TMAO、甜菜碱、胆碱和磷酸胆碱以及多不饱和脂肪酸含量升高,而β-葡萄糖含量降低。 综合本部分实验结果,说明肝脏和肾脏是大鼠暴露于CNTs后的潜在靶器官。CNTs对肝肾组织的毒性作用与能量代谢中糖酵解、三羧酸循环的改变有关,与线粒体的功能降低和脂肪代谢的改变有关。代谢组学技术检测CNTs染毒后机体代谢成分变化较常规生化分析有明显优势,与模式识别技术相结合更有利于筛选出早期损害的代谢标志物。
【学位授予单位】:中国人民解放军军事医学科学院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:R114

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7 王连友;大鼠液压冲击颅脑损伤模型的立体定向控制研究[D];天津医科大学;2006年
8 陈来照;神经肽Y及其受体在垂体腺瘤中的表达及意义[D];天津医科大学;2006年
9 朱志宏;不同性别大鼠创伤失血性休克后多形核白细胞反应的差异及胃复安干预的实验研究[D];中国人民解放军军医进修学院;2006年
10 于文涛;中风康对局灶性脑缺血大鼠神经元保护作用机制研究[D];河北医科大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 冷婧;限食下活性维生素D对大鼠寿命的影响[D];山西医科大学;2013年
2 孙超;硫化氢对烧伤大鼠肠道组织干扰素-γ、肿瘤坏死因子-α水平的影响研究[D];青海大学;2013年
3 向芳;围产期大鼠血脂组成与乳腺炎症相关基因的表达变化研究[D];四川农业大学;2011年
4 吴芳庚;环境温度变化致大鼠小肠黏膜免疫屏障损伤的研究[D];南昌大学;2011年
5 郭亚玲;LOX-1和VCAM-1在糖尿病肾病动脉粥样硬化大鼠中的表达及普罗布考的影响[D];蚌埠医学院;2013年
6 耿立敏;牛磺酸对染锰大鼠丘脑氨基酸类神经递质及其相关酶改变的干预作用[D];广西医科大学;2013年
7 张智;培菲康对高脂饮食诱导非酒精性脂肪肝病大鼠肠黏膜屏障的作用[D];广西医科大学;2013年
8 杨科峰;基于BCI的大鼠运动行为控制的研究[D];郑州大学;2011年
9 贾涛;麻醉大鼠肠系膜微循环局部酸环境对微血管反应性的影响[D];山西医科大学;2013年
10 钟丽敏;中枢M受体参与毒血症大鼠星形胶质细胞激活及细胞因子分泌的研究[D];苏州大学;2011年
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