纳米级氧化钛(TiO2 )在各个领域有着广泛的应用。然而,纳米TiO2可通过呼吸道、表皮、消化道等多种途径进入人体,并易在体内积累,对人体造成一定的潜在威胁。目前,国内外已开展对纳米TiO2毒性的研究,但对其产生机体毒性的作用机制尚未全面深入。鉴于此,我们以不同剂量的纳米TiO2腹腔注射ICR小鼠,对其引起的毒性效应及其作用机制进行研究。另外,我们研究了体外环境下纳米TiO2对机体氧化防御系统重要酶—超氧化物歧化酶(SOD)结构和活性的影响,以期进一步了解纳米氧化钛对生物大分子的作用机制。本研究可为纳米材料的安全评估提供重要的理论依据。论文主要涉及以下内容:(1)用不同剂量的纳米TiO2处理小鼠,测定血清生化指标和体重、器官的重量,从整体角度研究其对小鼠各器官和血糖血脂代谢的毒性效应。结果表明用高剂量纳米TiO2处理后,肝体比、肾体比和脾体比显著增大(P<0. 01或P<0.05),肺体比和脑体比显著下降(P<0.01或P<0.05),但心体比变化不明显。肝功能丙氨酸氨基转移酶(ALT)、碱性磷酸酶(ALP)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、假性胆碱酯酶(PChE)、总蛋白(TP)、白蛋白(ALB)和总胆红素(TBIL)七项指标都显著提高(P<0.001或P<0.005);肾功能尿酸(UA)、尿素氮(BUN)两项生化指标明显下降(P<0.01或P<0.05);心肌功能指标肌酸激酶(CK)、乳酸脱氢酶(LDH)、天门冬氨酸氨基转移酶(AST)和α-羟丁酸脱氢酶(HBDH)活性显著增加(P<0.01或P<0.05);小鼠血糖(GLU)和血脂中的总甘油三脂(TG)、总胆固醇(THCO)、高密度脂蛋白(HDL-C)显著提高(P<0.05)。而低剂量的处理组各项生化指标无明显变化。可见,高剂量纳米氧化钛对小鼠肝、肾、心肌造成功能损伤,引起了小鼠血糖血脂代谢异常。我们推测:钛在器官的积累可能与器体比和功能损伤密切相关。(2)深入研究纳米TiO2对肝脏的损伤作用及其分子机制。用不同剂量的纳米TiO2连续腹腔注射小鼠14天后,观察到了小鼠肝脏的病理变化,如弥散性嗜碱性变和肝细胞内线粒体肿胀和凋亡,钛在肝脏和肝细胞DNA中的积累。在确定钛能与肝细胞DNA结合后,为了证实纳米TiO2引起的肝脏损伤中炎症细胞因子的作用,用Real Time PCR和ELISA法进一步研究了小鼠肝脏中炎症细胞因子(NF-κB, MIF, IL-6, IL-1β, CRP, TNF-α, IL-4和IL-10)的表达量以及蛋白含量,以期探讨纳米TiO2引起小鼠肝脏的毒性与炎症反应的关系。结果表明纳米TiO2可显著影响小鼠肝脏中炎症细胞因子(NF-κB, MIF, IL-6, IL-1β, CRP, TNF-α, IL-4和IL-10)基因表达量和蛋白水平(P<0.05或0.01),且对蛋白水平的影响呈剂量依赖效应(P<0.05或0.01)。我们的研究表明纳米TiO2可引起肝脏的损伤和炎症反应。(3)研究纳米TiO2对小鼠脑部的毒性效应。结果显示:高剂量的纳米TiO2会使脑产生脂质过氧化,总抗氧化能力降低,抗氧化系统酶如超氧化物歧化酶化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽过氧化物酶(GSHPx)的活性明显下降。同时组成型一氧化氮合酶(cNOS)和诱导型一氧化氮合酶(iNOS)的活性提高,一氧化氮(NO)过度释放。脑内谷氨酸含量及乙酰胆碱酯酶的活性均下降,并在显微镜下观测到脑细胞的丝解性变和炎症细胞的浸润。本实验证明了腹腔注射的纳米TiO2可被循环系统吸收并转运到脑内,引起脑组织的氧化应激和神经化学物质代谢的失衡。(4)为了进一步阐明纳米TiO2对生物大分子的影响,在体外以纳米TiO2处理大鼠红细胞的超氧化物歧化酶(SOD),研究其活性和结构的变化。结果表明低剂量的纳米TiO2可使SOD的活性升高,而高剂量的纳米TiO2会使SOD的活性降低。光谱学分析表明纳米氧化钛能够与酶结合,结合位点数为0.256,结合常数分别为6.54×105 L?mol-1和3.6×105L?mol-1。EXAFS分析表明:纳米TiO2可能与SOD中3个O或N原子结合,结合键长为1.86?,或与1个S原子结合,结合键长为2.37?,从而导致酶二级结构的变化。因此我们推测:纳米TiO2在SOD中创造了一个新形式的金属离子活性位点,从而影响SOD的活性。