本文關(guān)鍵詞：納米銀生理毒物動力學(xué)模型（PBTK）構(gòu)建與驗(yàn)證，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：研究背景與目的：納米科技飛速發(fā)展,形成了眾多分支,如納米毒理學(xué)、納米生物學(xué)、納米藥物學(xué)和納米電子學(xué)等,由于具有與常規(guī)材料不同的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)或化學(xué)性能,納米材料被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。納米銀是目前商品化程度最高的納米材料之一,因其具有獨(dú)特的廣譜抗菌性能,在衛(wèi)生、保健、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛使用。然而納米顆粒尺寸微小,易于通過血腦屏障、血睪屏障和血眼屏障等各種生物屏障并與體內(nèi)大分子發(fā)生相互作用,對人體可能具有潛在的危害,納米材料的安全性也備受關(guān)注。目前針對納米銀的毒理學(xué)研究主要集中于細(xì)胞培養(yǎng)體系等體外實(shí)驗(yàn),并不能準(zhǔn)確反映納米銀進(jìn)入生物體的變化過程和對生物體的毒性作用。而已有的實(shí)驗(yàn)中,對于通過各種途徑進(jìn)入生物體的納米銀在體內(nèi)的生物動力學(xué)及生物學(xué)效應(yīng)研究尚不充分,因此有必要進(jìn)一步開展納米銀的體內(nèi)生物效應(yīng)研究以及相關(guān)的體內(nèi)生物動力學(xué)研究,這對于納米銀的安全性評價及納米產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。生理毒代動力學(xué)(Physiologically based toxicokinetics, PBTK)模型以生理學(xué)和解剖學(xué)為基礎(chǔ),通過血流將各個臟器和組織有機(jī)地聯(lián)系起來,反映毒物隨血流進(jìn)入各個臟器和組織,進(jìn)行轉(zhuǎn)化、代謝和排泄的過程。根據(jù)質(zhì)量守恒定律,通過微分方程,將毒物在各個臟器和組織的動態(tài)變化描述出來,對方程組求解,便可以了解毒物隨著時間在各個臟器和組織的靶劑量。PBTK模型是一種新型劑量預(yù)測方法,能夠有效地預(yù)測生物體毒物內(nèi)暴露劑量,有助于定量地評估外暴露毒物劑量(外劑量)和內(nèi)暴露毒物劑量(內(nèi)劑量)以及毒效應(yīng)之間的關(guān)系,是風(fēng)險評估中的新技術(shù)。本研究使用兩種不同粒徑的納米銀材料AgNPs-20(20nm納米銀,PVP包被,標(biāo)示銀含量25%)和AgNPs-100 (100nm納米銀,標(biāo)示銀含量99.5%),大鼠單次尾靜脈染毒,染毒濃度分別為120 mg/kg和30 mg/kg(以銀含量計,均為30mg/kg)。并設(shè)置陰性對照組PVP,染毒濃度為90mg/kg。同時設(shè)置硝酸銀AgNO3作為納米銀在體內(nèi)可能釋放銀離子的對照,染毒濃度為5 mg/kg(以銀含量計,為3.2 mg/kg)。研究大鼠染毒后急性毒性作用、血液動力學(xué)、組織分布、排泄情況。并在此基礎(chǔ)之上,通過查閱相關(guān)文獻(xiàn),利用Acsl軟件初步建立PBTK模型,通過實(shí)驗(yàn)所得的納米銀體內(nèi)數(shù)據(jù)驗(yàn)證與優(yōu)化模型。為研究納米銀材料的健康效應(yīng)及安全性評價提供依據(jù)。研究方法：1.納米銀材料表征：①使用TEM和SEM觀測形態(tài)特征,粒徑大小；②使用馬爾文粒度儀測定納米銀在生理鹽水中的水合粒徑。③使用ICP-MS檢測納米銀材料實(shí)際銀含量。2.納米銀對大鼠的急性毒性研究：大鼠單次尾靜脈染毒,于染毒后1 d,7 d,14d處死,取血清、臟器、尿液標(biāo)本。①觀測一般性指標(biāo)和臟器系數(shù)的變化；②血清和尿生化學(xué)指標(biāo)檢測,包括：肝功能指標(biāo)(TP, ALB, ALT, AST, ALP)、心功能指標(biāo)(CK, CK-MB)、腎功能指標(biāo)(BUN, UP, UA, Cre);③觀察組織病理改變。3.納米銀在大鼠體內(nèi)的血液動力學(xué)和生物分布研究：①血液動力學(xué)研究：大鼠麻醉后行股靜脈插管手術(shù),尾靜脈染毒后,通過股靜脈經(jīng)時(5min, 10min, 20min,30min,1 h,2h,4h,6h)取血,ICP-MS檢測血中銀含量,應(yīng)用DAS藥物動力學(xué)軟件計算相關(guān)動力學(xué)參數(shù),進(jìn)行血液動力學(xué)研究。②組織分布研究：大鼠單次尾靜脈染毒,于染毒后1 d,7d,14d處死,ICP-MS檢測腦、心、肺、肝、脾和腎各組織臟器中的銀含量,進(jìn)行納米銀體內(nèi)分布研究；③排泄途徑研究：大鼠染毒后于不同時間收集尿液和糞便,ICP-MS檢測糞便和尿液中銀含量,進(jìn)行納米銀排泄研究。4.納米銀PBTK模型構(gòu)建與驗(yàn)證：①查閱文獻(xiàn)收集大鼠的生理參數(shù)以及納米銀相關(guān)的生化參數(shù),確立模型的結(jié)構(gòu)和微分方程組,應(yīng)用Acsl軟件編寫程序,構(gòu)建PBTK模型。②利用已有的大鼠體內(nèi)納米銀染毒數(shù)據(jù),驗(yàn)證與優(yōu)化PBTK模型。研究結(jié)果：1.納米銀材料表征：AgNPs-20呈球形,分散良好,平均粒徑21.54 nm,平均水合粒徑為43.76 nm,含銀量29.08%。AgNPs-100呈橢球形,平均粒徑79.04 nm,平均水合粒徑為952.10 nm,含銀量99.84%。2.納米銀對大鼠的急性毒性研究：①一般性指標(biāo)和臟器系數(shù)的影響：與PVP對照組相比,AgNPs-20. AgNPs-100和AgNO3染毒后的大鼠毛色輕微灰暗,攝食和飲水減少,染毒3天左右恢復(fù)。染毒1d后,與PVP對照組相比,AgNO3染毒組的肝臟臟器系數(shù)增大,AgNPs-20染毒組和AgNPs-100染毒組肝臟臟器系數(shù)降低(P0.05)。②血清及尿液生化指標(biāo)的影響：染毒1d時,與PVP對照組相比,AgNO3染毒組的TP含量下降,AgNPs-20染毒組的AST含量上升,AgNPs-100染毒組的ALT和AST含量上升,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P0.01,P0.05)。染毒7d時,與PVP對照組相比,AgNPs-20染毒組和AgNPs-100染毒組的AST含量上升,差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P0.01),其他指標(biāo)和PVP對照組相比無顯著差異。③組織病理學(xué)檢查：染毒7d后,與PVP對照組相比AgNPs-20染毒組和AgNPs-100染毒組大鼠肝臟有輕微病變,染毒1 d、14 d后,各組織病理學(xué)檢查無異常。3.納米銀在大鼠體內(nèi)的血液動力學(xué)和生物分布研究：①血液動力學(xué)：兩組納米銀染毒組血銀水平在1h內(nèi)均呈快速下降趨勢,1h～6h維持穩(wěn)定。AgNO3染毒組大鼠的血銀水平下降速度很快,在10 min時趨于穩(wěn)定。采用DAS藥物動力學(xué)軟件計算,經(jīng)統(tǒng)計矩分析,AgNPs-20、AgNPs-100和AgNO3組的主要動力學(xué)參數(shù)為：血液銀含量-時間曲線下面積(AUC, mg/L*h)分別為：57.41±28.21,106.99±11.60,55.88±9.26；平均滯留時間(MRT, h)分別為0.54±0.27,1.88±0.11,2.57±0.11;消除半衰期(t1/2,h)分別為0.80±0.30,1.88±0.23,6.06±4.67；清除率(CL, L/h*kg)分別為0.63±0.35,0.25±0.03,0.04±0.02；分布容積(Vd, L/kg)分別為0.79±0.70,0.68±0.07,0.23±0.04。②組織分布：尾靜脈注射納米銀后,在腦、心、肺、肝、脾和腎各主要臟器中均可檢測到不同水平的銀。染毒1d時,AgNPs-20主要分布在肝臟和脾臟,AgNPs-100主要分布在肺臟,AgNO3主要分布在肝臟；染毒14d時,兩納米銀組的主要分布組織均為肝臟和脾臟。AgNO3主要分布于肝臟、脾臟和腎臟。③排泄途徑：糞便和尿液14d累積排泄率分別為：AgNPs-20 (6.97%,0.15%), AgNPs-100 (4.40%,0.11%), AgNO3 (22.06%,7.60%).糞便為納米銀主要排泄途徑。4. PBTK模型構(gòu)建與驗(yàn)證結(jié)果：①通過收集大鼠生理學(xué)參數(shù),納米銀生化指標(biāo),編譯微分方程,初步構(gòu)建AgNPs-20和AgNPs-100在大鼠體內(nèi)的PBTK模型。②使用回歸分析方法比較動物實(shí)驗(yàn)肝臟、血液數(shù)據(jù)與模型擬合數(shù)據(jù),表明該模型對實(shí)際數(shù)據(jù)擬合較好,血液擬合數(shù)據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.774和0.754。結(jié)論：大鼠尾靜脈染毒30 mg/kg AgNPs-20和AgNPs-100后,體重、臟器系數(shù)和血清生化學(xué)和組織病理學(xué)改變提示大鼠的肝臟出現(xiàn)了輕微的急性毒性效應(yīng)。體內(nèi)動力學(xué)和生物分布研究結(jié)果表明納米銀在大鼠體內(nèi)各主要臟器均有分布,特別是在腦組織中也有檢出,說明納米銀或銀離子可穿透血腦屏障進(jìn)入腦組織。不同粒徑納米銀在體內(nèi)分布模式有所不同,染毒1d后,AgNPs-20主要分布在肝臟和脾臟中,AgNPs-100在肺臟濃度最高、肝臟和脾臟次之。染毒14d后,主要分布器官均為肝臟和脾臟,AgNPs-20組肝脾銀濃度為AgNPs-100組的6-7倍,認(rèn)為肝臟和脾臟為納米銀蓄積和作用靶器官,小尺寸納米銀在靶器官中蓄積更嚴(yán)重。排泄途徑研究表明,納米銀進(jìn)入大鼠體內(nèi)后主要經(jīng)糞便排泄,14d內(nèi)經(jīng)尿液排泄量僅為糞便排泄量的2%-2.5%,AgNPs-20的排泄速率比AgNPs-100略快,銀離子進(jìn)入大鼠體內(nèi)也主要經(jīng)糞便排泄,14d內(nèi)經(jīng)尿液排泄量為糞便排泄量的34%。經(jīng)過參數(shù)收集和微分方程組構(gòu)建,納米銀在大鼠體內(nèi)的PBTK模型初步構(gòu)建成功,將擬合數(shù)據(jù)與實(shí)際動物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析,得到Pearson相關(guān)系數(shù)約為0.75,表明該模型擬合較好,可以初步模擬大鼠體內(nèi)納米銀的代謝情況,有助于進(jìn)一步分析不同粒徑納米銀的代謝規(guī)律。同時可以作為人體內(nèi)納米銀代謝模擬的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),為納米銀的人體安全性評價提供依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：納米銀 急性毒性 組織分布 PBTK
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：R114
【目錄】：

• 摘要4-8
• 英文摘要8-12
• 主要縮略詞12-15
• 前言15-18
• 第一章 納米銀的材料表征18-22
• 1 材料與儀器18-19
• 2 結(jié)果19-20
• 本章小結(jié)20-22
• 第二章 大鼠尾靜脈注射納米銀的急性毒性研究22-37
• 第一節(jié) 尾靜脈注射納米銀對大鼠一般性指標(biāo)以及臟器系數(shù)的影響22-26
• 1 材料與方法22-24
• 2 結(jié)果24-25
• 3 討論25-26
• 第二節(jié) 尾靜脈注射納米銀對大鼠生化指標(biāo)的影響26-31
• 1 材料與方法26-27
• 2 結(jié)果27-29
• 3 討論29-31
• 第三節(jié) 尾靜脈注射納米銀對大鼠組織病理的影響31-35
• 1 材料與方法31-32
• 2 結(jié)果32-35
• 3 討論35
• 本章小結(jié)35-37
• 第三章 納米銀的血液動力學(xué)和體內(nèi)分布研究37-57
• 第一節(jié) 納米銀在大鼠體內(nèi)的血液動力學(xué)研究38-45
• 1 材料與方法38-41
• 2 結(jié)果41-43
• 3 討論43-45
• 第二節(jié) 納米銀在大鼠體內(nèi)的生物分布研究45-51
• 1 材料與方法45-46
• 2 結(jié)果46-50
• 3 討論50-51
• 第三節(jié) 納米銀的尿液和糞便代謝研究51-56
• 1 材料與方法51-52
• 2 結(jié)果52-53
• 3 討論53-56
• 本章小結(jié)56-57
• 第四章 大鼠靜脈染毒納米銀PBTK模型的初步構(gòu)建和驗(yàn)證57-68
• 第一節(jié) 大鼠靜脈染毒納米銀PBTK模型的初步構(gòu)建57-63
• 1 方法57-59
• 2 結(jié)果59-63
• 第二節(jié) 大鼠靜脈染毒納米銀PBTK模型的優(yōu)化與驗(yàn)證63-67
• 1 方法63
• 2 結(jié)果63-65
• 3 討論65-67
• 本章小結(jié)67-68
• 總結(jié)68-69
• 參考文獻(xiàn)69-74
• 綜述74-81
• 參考文獻(xiàn)78-81
• 作者簡介81-82
• 在研期間發(fā)表論文82-83
• 致謝83

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本文編號：329604