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奈米科技與生物醫學：體內殘留的奈米粒子

97/11/10 24675

張菡｜中山醫學大學醫學系

張惠華｜國家衛生研究院環境衛生與職業醫學研究組

隨著奈米技術的研發，所製造的產品日益增加與多樣化，並已漸漸深入我們的生活。當傳統材料奈米化後，它們的物理、化學性質及生物相容性都會隨著改變。奈米粒子（介於 1 ~ 100 奈米的顆粒或結構材料）可能會經由呼吸、飲食、血管注射、皮膚接觸等途徑進入生物體內。例如懸浮在空氣中的奈米粒子可能被生物體吸入而到達肺臟，或經由受到奈米粒子污染的水或食物進入腸胃道。此外，奈米化的藥物經靜脈注射，或含有奈米粒子的外用藥物及美容品經皮膚接觸，也會進入生物體內。

從環境中吸入奈米粒子是最常見的路徑。當實驗動物暴露在高濃度的奈米粒子環境中，肺組織會出現發炎、纖維化與細胞死亡的現象。雖然有些流行病學調查發現，人類氣喘與高濃度的奈米粒子暴露有關，但是並沒有直接的證據支持這個結論。

奈米粒子的吸收與分布

奈米粒子能經過肺臟、腸胃道及皮膚的吸收，或直接穿透血管壁進入血液，經由血液循環而到達生物體內的各個組織與器官。不同的奈米粒子進入血液後，停留在血液中的時間或許不同，但是一般而言，大約在一天內，奈米粒子就會進入各個組織與器官。

動物實驗證實，老鼠被靜脈注射量子點（一種奈米粒子）24 小時後，血液中量子點的量就小於注射總量的 10％，同時發現量子點在尿液與糞便中的排泄量幾乎是零。此外，也發現量子點在注射初期會累積在脾臟、肝臟與腎臟，觀察老鼠 4 周後，脾臟與肝臟的累積量逐漸減少，在腎臟的累積量則穩定且持續地增加，同時排出體外的量仍然非常少。

代謝器官

脾臟是生物體內重要的免疫器官，可以增加生物體的免疫力，對抗外來病菌。累積在脾臟中的奈米粒子，必須再一次進入血液經肝臟或腎臟來排泄。

肝臟是生物體內最重要的代謝器官，代謝有毒的體內代謝物、外來的藥物與毒物是肝臟主要的功能之一。肝臟主要由肝細胞構成，且由肝動脈及門靜脈供給血液。不同區域的肝細胞擁有不同的代謝特性。除了肝細胞外，肝臟也包括血管內皮細胞、庫氏細胞等，不同種類的細胞扮演不同的功能，如庫氏細胞就具有吞噬作用。

肝臟代謝的過程是：把來自腸胃道與其他組織的血液匯集後，經肝動脈及門靜脈送入肝臟，血液中的醣類、蛋白質、脂質等有用的物質被肝細胞內的酵素系統代謝成小分子，以利進一步的吸收；環境毒物經肝代謝後，水溶性增加，最後隨膽汁及糞便排出體外。從血液帶來的奈米粒子進入肝臟後，會被庫氏細胞吞噬或進入肝細胞代謝，無法生物分解的奈米粒子最終由糞便排出。

腎臟是生物體最重要的排泄器官，主要執行體內含氮廢物的排泄及水與酸鹼的平衡調節。腎臟由腎動脈供應血液，主要的結構包括腎絲球、近曲及遠曲腎小管。排泄過程是：由血液帶來的各式廢物經腎絲球過濾，在腎小管做離子交換、濃縮等步驟後，形成尿液而排出體外。理論上，來到腎臟的奈米粒子也是循著這模式排出體外。

進入細胞的方式

因為奈米粒子的粒徑非常小，可以進入的細胞種類相當多，包括紅血球、吞噬球、神經元、肝細胞、腎小管上皮細胞等。奈米粒子進入細胞的方式，可能是經過細胞的吞噬作用或胞飲作用，進入組織時，推測因微血管種類的不同而造成奈米粒子在各組織中濃度的不同。

例如，肝臟及脾臟的微血管屬於不連續型微血管，血管壁的孔徑較大，奈米粒子可以自由離開血液進入肝脾組織，遇到吞噬球時被吞入，因此增加停留的時間而造成累積。相對於肝脾組織，雖然腎臟腎絲球微血管的孔徑足以讓奈米粒子通過，但是微血管的基底膜僅讓 5 奈米以下的分子通過，因此奈米粒子會在腎臟堆積，特別是腎絲球血管附近。

當奈米粒子進入細胞或組織後，有些會出現凝集或裂解的現象。當凝集的粒子夠大時，就可以用光學顯微鏡或電子顯微鏡來觀察。若出現裂解現象，則表示奈米粒子的結構不穩定，裂解後的分子可能會傷害細胞胞器，例如粒線體，進一步干擾細胞的功能。當老鼠暴露在高濃度的量子點中，觀察 6 個月後，雖然老鼠的腎臟功能正常，但是電子顯微鏡的觀察卻發現近曲腎小管細胞內的粒線體出現嚴重的變形，表示細胞的粒線體功能受損。

毒性的產生

奈米粒子（特別是非有機奈米材料）被生物體吸收的速率快、排泄慢、停留在體內的時間長。殘留在生物體內的奈米粒子，有些會造成組織發炎、壞死及纖維化，有些會造成粒線體的變形或細胞死亡。也就是說，不是所有種類的奈米粒子對組織或細胞都會產生毒性，也不是一種奈米粒子對所有的組織或細胞都會產生毒性。毒性取決於奈米粒子本身材料的特性，包括生物相容性、物理性質、化學性質、機械性質、粒徑的大小與形狀等。

另外，奈米粒子進入組織或細胞後，它的溶解度及濃度也會影響毒性的產生。現在認為奈米粒子導致毒性的機轉，與細胞產生過氧化物自由基有關。

暴露在奈米粒子的環境中，往往並不自覺，當然也無法避免。雖然奈米粒子廣泛應用於紡織工業、化學工業、半導體工業，甚至應用在醫療及藥學上，但是我們對奈米粒子進入人體後的吸收、分布、代謝、排泄與產生毒性的機轉，並不完全了解。因此，奈米粒子對人體的安全性，是一個急迫且重要的課題。

資料來源

《科學發展》2008年11月，431期，24 ~ 27頁

粒線(2)

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