《Journal of Trace Elements in Medicine and Biology》：Time-dependent translocation of titanium dioxide nanoparticles to the brain: a histopathological and spectrometric study
编辑推荐：
钛氧化物纳米颗粒（5nm）经腹腔注射进入雄性大白鼠模型后，可穿透血脑屏障并在脑组织内持续沉积，长期暴露（12个月）时脑及血浆中钛浓度显著升高（p<0.05），病理学分析显示脑胶质细胞增生、神经元卫星现象，但未观察到炎症反应。
玛丽埃拉·吉塞莱·多明戈（Mariela Gisele Domingo）|冈萨洛·费尔南德斯·乌加齐奥（Gonzalo Fernández Ugazio）|德博拉·鲁思·塔萨特（Déborah Ruth Tasat）|丹尼尔·古斯塔沃·奥尔梅多（Daniel Gustavo Olmedo）
布宜诺斯艾利斯大学牙科学院，病理解剖学系，阿根廷布宜诺斯艾利斯M. T. de Alvear 2142号2A室，C1122AAH
摘要
基于钛（Ti）的生物医学设备的表面可能是系统性暴露于二氧化钛纳米颗粒（TiO?-NPs）的内源性来源。实验证据表明，TiO?-NPs可以系统性地扩散并到达远端器官，包括大脑；然而，它们在体内的长期神经生物学效应仍不清楚，需要通过体内研究进一步探讨。本研究的目的是利用急性（1个月）和慢性（6个月及12个月）暴露于TiNPs的大鼠模型，评估大脑中5纳米TiO?-NP沉积物的存在及其时间分布，以及与这些沉积物相关的组织病理学变化，并测定大脑和血浆中的钛含量。
方法
48只雄性Wistar大鼠通过腹腔注射5纳米TiO?-NPs或生理盐水溶液。注射后1个月、6个月和12个月，分别通过组织学检查和扫描电子显微镜（SEM）结合能量分散X射线光谱法（SEM–EDS）检测钛颗粒的存在，分析颗粒相关改变，并通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定大脑和血浆中的钛浓度。结果采用双因素方差分析（two-way ANOVA）进行统计分析，随后进行Bonferroni事后检验。
结果
组织病理学分析显示，在所有时间点，暴露组大鼠的大脑中都出现了胶质增生、神经元卫星现象和类似颗粒的物质沉积，但没有炎症浸润的迹象。SEM–EDS证实了大脑组织中存在含钛颗粒。与对照组相比，TiO?-NP5组的大脑和血浆中的钛浓度在所有研究时间点均显著升高（p < 0.05），并且随着时间的推移逐渐增加，在12个月时升高尤为明显。
结论
这些发现表明，5纳米TiO?-NPs在急性和慢性暴露后都能穿过血脑屏障，并随时间在脑组织中沉积。尽管在实验条件下未观察到炎症反应，但钛的逐渐积累突显了进一步研究其长期暴露对分子和功能影响的必要性。
引言
近年来，由于纳米技术领域的重大进展和发展，纳米材料的数量及其应用范围显著增加[1]。金属和金属氧化物纳米颗粒被广泛应用于食品生产、化妆品和个人护理产品等行业，以及在生物医学领域作为药物递送和基因治疗的载体[2]。特别是二氧化钛纳米颗粒（TiO?-NPs）的日益使用引发了健康担忧，因为它们是外源性污染源。TiO?-NPs可以通过皮肤、吸入和消化道进入体内[3]。此外，还有其他途径如静脉注射、腹腔注射、皮下注射和肌肉注射[4]。钛（Ti）及其合金在医学上被广泛用于制造假体、手术器械以及牙科和骨科植入物。钛基生物医学设备的金属表面可能是系统性污染钛离子或颗粒的内源性来源[5]、[6]、[7]、[8]。这些离子/颗粒可能由于电化学（腐蚀）和磨损/摩擦（摩擦学）过程释放到生物环境中[9]、[10]。电化学和机械因素的联合效应称为摩擦腐蚀，当这种过程发生在生物环境中时，称为生物摩擦腐蚀[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
正如我们的研究小组和其他作者所报道的，从金属钛植入物表面释放的离子/颗粒对人体可能产生不同的有害影响[6]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。事实上，国际癌症研究机构（IARC）已将TiO?归类为可能对人类致癌的物质（2B类致癌物）[21]。我们小组进行的实验性小鼠研究表明，TiO?-MPs（微颗粒）和TiO?-NPs可以通过血液传播并沉积在肺部、肾脏和肝脏等器官中，导致组织和/或功能改变[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。
众所周知，TiO?的毒性较低[31]、[32]。然而，纳米级颗粒（1-100纳米）的生物活性和物理化学性质与其块状形式有所不同。暴露于TiO?-NPs与啮齿动物模型中的神经氧化应激、线粒体功能障碍和神经递质代谢改变有关，表明这些颗粒具有潜在的神经毒性[33]。机制研究指出，TiO?-NP的神经毒性可能涉及直接穿过血脑屏障（BBB）和通过氧化应激、炎症及神经信号通路紊乱产生的间接系统效应[34]、[35]。尽管如此，TiO?-NPs的潜在神经效应仍在研究中。
与病毒和小分子类似，TiO?-NPs已被证明可以穿过生物屏障，包括肺和胃肠道上皮，并在慢性暴露条件下在肝脏、脾脏和大脑等 secondary organs 中积累[34]、[36]。纳米颗粒可以通过嗅觉上皮进入大脑，这是连接鼻子和大脑的直接途径[37]、[38]、[39]。无论暴露途径是内源性的还是外源性的，一旦进入大脑，TiO?-NPs都可能导致神经系统损伤[40]、[41]、[42]、[43]。值得注意的是，虽然一些研究报告了慢性暴露后的行为和功能缺陷，但TiO?-NPs在大脑中的积累与神经炎症和功能损伤之间的关系仍不明确[33]。
我们的研究团队[44]开发了一个实验模型，模拟了植入物生物摩擦腐蚀副产物的局部积累和系统迁移情况，这种情况可能发生在携带一个或多个含钛假体的患者身上。在之前使用我们实验小鼠模型的研究中[45]，我们评估了在高剂量TiO?（1.6克/100克）长期暴露（6个月）后，10纳米和5纳米TiO?-NPs向大脑的迁移情况。我们发现5纳米颗粒的沉积浓度高于10纳米颗粒，表明TiO?-NPs在大脑中的沉积与颗粒的平均大小成反比[45]。
尽管有关TiO?-NPs纳米毒性的报道很多[46]，但很少有研究在体内条件下分析小颗粒的生物分布及其长期暴露后的组织病理学变化[33]。只有少数研究，包括我们团队和其他作者在人类神经细胞中进行的体外研究，证明了TiO?-NPs的神经毒性[47]、[48]、[49]、[50]。
阐明TiO?-NPs向大脑迁移的时间动态及其导致的组织病理学变化至关重要，特别是考虑到受生物摩擦腐蚀影响的植入物是内源性暴露源。
基于以上内容，本研究旨在通过使用急性（1个月）和慢性（6个月及12个月）暴露于TiO?-NPs的大鼠模型，评估大脑中5纳米TiO?-NP沉积物的存在及其时间分布，以及与这些沉积物相关的组织病理学变化，以及大脑和血浆中的钛含量。
部分内容
动物：体重、行为和整体健康状况
约100克的雄性Wistar大鼠被饲养在布宜诺斯艾利斯大学牙科学院的动物设施中，处于标准条件下。它们可以自由饮水和进食，生活在12:12的光照-黑暗循环和受控温度（22–24°C）环境中。实验开始时和安乐死前对大鼠进行称重，并记录体重变化。还观察了大鼠的外观，包括毛发质地和颜色等指标。
结果
在所有研究时间点，各组动物的体重（p > 0.05；数据未显示）、行为或整体健康状况均未发生变化。
讨论
大脑中存在钛颗粒具有重要的科学意义，因为这种元素在人体内自然不存在[55]。钛颗粒可以通过外部来源（如环境污染物或某些产品）或内部来源（如生物摩擦腐蚀的金属钛植入物）进入体内。由于生物摩擦腐蚀，从骨科或牙科植入物释放的钛离子/颗粒可能在组织中局部积累。
结论
在本研究的体内实验条件下，5纳米TiO?-NPs在急性和慢性暴露后都穿过了血脑屏障并沉积在大脑中，但没有影响组织完整性或引起炎症，即使钛浓度随时间增加。
这些结果表明，长期纳米颗粒的迁移和积累可能悄无声息地发生，没有急性神经毒性表现，但可能导致……
资助
本研究得到了国家科学技术研究委员会（CONICET，授权号PIP 11220210100852CO）、布宜诺斯艾利斯大学（授权号UBACyT 20020190100148BA）和布宜诺斯艾利斯大学牙科学院（授权号FOUBA-03-02-24）的支持。
作者贡献声明
丹尼尔·古斯塔沃·奥尔梅多（Daniel Gustavo Olmedo）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，项目监督，方法学设计，研究实施，资金获取，概念构思。
冈萨洛·费尔南德斯·乌加齐奥（Gonzalo Fernández Ugazio）：撰写 – 审稿与编辑，方法学设计，研究实施，形式分析。
德博拉·鲁思·塔萨特（Déborah Ruth Tasat）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，项目监督，方法学设计，资金获取，概念构思。
玛丽埃拉·吉塞莱·多明戈（Mariela Gisele Domingo）：形式分析，资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者特别感谢桑德拉·雷诺（Sandra Renou）在图像准备方面的合作。
