奈米微粒與健康風險研究─子計畫五：疾病動物模式奈米微粒毒性探討(III)(2/2)

Abstract

流行病學研究指出，空氣污染氣懸微粒的增 加，與呼吸系統疾病和心血管疾病死亡率增加有 關，這些死亡大都發生於已經有心肺疾病的個 人，然而確實致病機轉仍不清楚。近年研究發現 小粒徑微粒可能扮演更重要的角色，特別是奈米 微粒在同一重量濃度下，顆粒數變大，表面積也 加大，可能增加毒性，目前已有一些研究針對奈 米微粒與細胞毒性的關係進行探討，主要著重在 奈米微粒造成的發炎反應，但是對於奈米微粒引 起的呼吸道變化及心血管系統效應之間的關係並 不清楚，特別在易感性族群的健康效應研究更 少。本研究目的為：(1)探討肺高血壓疾病動物暴 露奈米聚苯乙烯後，肺部發炎與傷害反應，及氧 化壓力的產生，同時也探討這些指標與表面積之 相關。(2)以糖尿病大鼠模式進行奈米微粒心血管 毒性試驗，以氣管灌注方式暴露奈米碳黑，觀察 其肺部發炎及周邊血液發炎反應與內皮細胞功能 標記之變化。(3)探討自發性高血壓大鼠與健康 SD 大鼠在暴露奈米微粒後，肺部發炎與氧化傷害 之比較。(4)探討非細胞系統中奈米微粒粒徑與氧 化壓力之相關。(5)探討肺部上皮內襯液體（ELF） 對於奈米微粒引起細胞氧化傷害的影響，評估奈 米微粒與細胞反應後產生之氧化壓力及評估細胞DNA 單股斷裂情形。 研究結果顯示，肺高血壓大鼠暴露微粒後， 暴露小粒徑微粒的動物有較高的肺部發炎及傷害 反應，同時這些反應與總表面積有關，另外氧化 壓力指標也有類似趨勢。我們也發現糖尿病大鼠 及健康大鼠，暴露於奈米碳黑都導致顯著的肺部 發炎及傷害反應，但是奈米碳黑只在糖尿病大鼠 造成顯著的周邊發炎反應增加，血管內皮素升高 及血液一氧化氮降低，奈米微粒暴露可能與糖尿 病有共同的的病理生理作用途徑，造成心血管疾 病增加的風險。進一步研究比較自發性高血壓大 鼠與健康SD 大鼠的肺部發炎與氧化壓力，自發 性高血壓大鼠因抗氧化壓力能力較差，所以不管 在肺部發炎反應或氧化壓力指標都比較健康SD 大鼠明顯。因為奈米微粒之毒性與氧化壓力有 關，所以進一步在非細胞系統中，測試奈米微粒 氧化壓力的產生，發現奈米碳黑產生的氧化壓力 隨暴露濃度及暴露時間增加，同時與總表面積有 關。而碳黑微粒在添加ELF 的環境下能顯著降低 氧化壓力的產生，同時減少DNA 單股斷裂的產 生。 我們的研究顯示，相同重量下，同材質的奈 米微粒毒性較粗微粒高，可能與奈米微粒的數目 及總表面積皆較粗微粒高，引起較大的氧化壓力 有關；奈米微粒除了造成肺部疾病，可能也與心 血管疾病有關，特別是易感性的糖尿病者，奈米 微粒的毒理效應更大，研究也發現氧化壓力在微 粒導致的肺部及心血管疾病，扮演重要角色。另 外，我們發現非細胞系統也可進一步發展成篩檢 的工具。研究顯示奈米粒徑微粒可在大氣微粒扮 演重要角色，同時在奈米材料毒性研究上，也提 供有用的資訊，有關奈米微粒毒理機轉，有待進 一步研究。 本研究報告將依照年度分為三部分，第一部 份為聚苯乙烯對肺高血壓大鼠之肺部發炎反應研 究。第二部份為糖尿病大鼠暴露奈米微粒之心血 管疾病研究，以及肺部上皮內襯液體（ELF）對於 奈米微粒引起細胞氧化傷害及細胞DNA 單股斷裂 的影響。第三部份為奈米微粒於非細胞系統之氧 化壓力反應，還有自發性高血壓大鼠與健康SD 大 鼠的肺部發炎與氧化壓力之比較。

Epidemiologic studies have shown consistent associations between the exposure to particulate air pollution and acute increase in morbidity and mortality, especially for susceptible subjects with pre-existing respiratory and cardiovascular disease. However, the exact mechanism remains unclear. Recent studies have shown that ultrafine particles may have a greater inflammatory effect than larger particles at the same mass concentration because of larger surface area and oxidative stress. However, the role of ultrafine particles on cardiopulmonary events is not clear. The goal of this study was: (1) to investigate the lung inflammation and oxidative stress in pulmonary hypertensive rats exposed to polystyrene particles. (2) to evaluate the effect of ultrafine carbon black on lung inflammation, systemic inflammation and endothelial dysfunction in STZ-diabetic rats. (3) to compare the lung inflammation and oxidative stress between spontaneously hypertensive rats and healthy SD rats. (4) to investigate the oxidative stress formation in a cell free system exposed to carbon black nanoparticles. (5) to investigate the effect of epithelium lining fluids (ELF) on ultrafine carbon black-induced ROS generation and DNA single strand breaks. Our results revealed that polystyrene nanoparticles can induce greater lung inflammation and injury and oxidative stress as compared to larger particles. The outcome parameters and total surface area were also highly correlated. Carbon black nanoparticles induced lung inflammation in both DM and non-DM rats, while abnormal endothelial function was only observed in DM rats. We further compared the lung inflammation and oxidative stress between SHR and SD, and found that those parameters were greater in SHR. In cell free system, the amounts of ROS increased with exposure concentration and exposure time. ELF significantly decreased ROS and DNA SSB. Our results indicate that nanoparticles can induce oxidative stress, which may be related with subsequent cardiopulmonary changes. The results also found that diseased subjects were more susceptible to nanoparticles. It is interesting to know that nanoparticles and diabetes may share the common pathway leading to cardiovascular events. We also find that cell free system may be used to screen nanoparticles.