纳米银生理毒物动力学模型（PBTK）构建与验证

发布时间：2017-04-27 01:09

  本文关键词：纳米银生理毒物动力学模型（PBTK）构建与验证，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：研究背景与目的：纳米科技飞速发展,形成了众多分支,如纳米毒理学、纳米生物学、纳米药物学和纳米电子学等,由于具有与常规材料不同的光学、电学、热学、力学或化学性能,纳米材料被应用于各个领域。纳米银是目前商品化程度最高的纳米材料之一,因其具有独特的广谱抗菌性能,在卫生、保健、医学等领域广泛使用。然而纳米颗粒尺寸微小,易于通过血脑屏障、血睾屏障和血眼屏障等各种生物屏障并与体内大分子发生相互作用,对人体可能具有潜在的危害,纳米材料的安全性也备受关注。目前针对纳米银的毒理学研究主要集中于细胞培养体系等体外实验,并不能准确反映纳米银进入生物体的变化过程和对生物体的毒性作用。而已有的实验中,对于通过各种途径进入生物体的纳米银在体内的生物动力学及生物学效应研究尚不充分,因此有必要进一步开展纳米银的体内生物效应研究以及相关的体内生物动力学研究,这对于纳米银的安全性评价及纳米产业的健康可持续发展具有重要意义。生理毒代动力学(Physiologically based toxicokinetics, PBTK)模型以生理学和解剖学为基础,通过血流将各个脏器和组织有机地联系起来,反映毒物随血流进入各个脏器和组织,进行转化、代谢和排泄的过程。根据质量守恒定律,通过微分方程,将毒物在各个脏器和组织的动态变化描述出来,对方程组求解,便可以了解毒物随着时间在各个脏器和组织的靶剂量。PBTK模型是一种新型剂量预测方法,能够有效地预测生物体毒物内暴露剂量,有助于定量地评估外暴露毒物剂量(外剂量)和内暴露毒物剂量(内剂量)以及毒效应之间的关系,是风险评估中的新技术。本研究使用两种不同粒径的纳米银材料AgNPs-20(20nm纳米银,PVP包被,标示银含量25%)和AgNPs-100 (100nm纳米银,标示银含量99.5%),大鼠单次尾静脉染毒,染毒浓度分别为120 mg/kg和30 mg/kg(以银含量计,均为30mg/kg)。并设置阴性对照组PVP,染毒浓度为90mg/kg。同时设置硝酸银AgNO3作为纳米银在体内可能释放银离子的对照,染毒浓度为5 mg/kg(以银含量计,为3.2 mg/kg)。研究大鼠染毒后急性毒性作用、血液动力学、组织分布、排泄情况。并在此基础之上,通过查阅相关文献,利用Acsl软件初步建立PBTK模型,通过实验所得的纳米银体内数据验证与优化模型。为研究纳米银材料的健康效应及安全性评价提供依据。研究方法：1.纳米银材料表征：①使用TEM和SEM观测形态特征,粒径大小；②使用马尔文粒度仪测定纳米银在生理盐水中的水合粒径。③使用ICP-MS检测纳米银材料实际银含量。2.纳米银对大鼠的急性毒性研究：大鼠单次尾静脉染毒,于染毒后1 d,7 d,14d处死,取血清、脏器、尿液标本。①观测一般性指标和脏器系数的变化；②血清和尿生化学指标检测,包括：肝功能指标(TP, ALB, ALT, AST, ALP)、心功能指标(CK, CK-MB)、肾功能指标(BUN, UP, UA, Cre);③观察组织病理改变。3.纳米银在大鼠体内的血液动力学和生物分布研究：①血液动力学研究：大鼠麻醉后行股静脉插管手术,尾静脉染毒后,通过股静脉经时(5min, 10min, 20min,30min,1 h,2h,4h,6h)取血,ICP-MS检测血中银含量,应用DAS药物动力学软件计算相关动力学参数,进行血液动力学研究。②组织分布研究：大鼠单次尾静脉染毒,于染毒后1 d,7d,14d处死,ICP-MS检测脑、心、肺、肝、脾和肾各组织脏器中的银含量,进行纳米银体内分布研究；③排泄途径研究：大鼠染毒后于不同时间收集尿液和粪便,ICP-MS检测粪便和尿液中银含量,进行纳米银排泄研究。4.纳米银PBTK模型构建与验证：①查阅文献收集大鼠的生理参数以及纳米银相关的生化参数,确立模型的结构和微分方程组,应用Acsl软件编写程序,构建PBTK模型。②利用已有的大鼠体内纳米银染毒数据,验证与优化PBTK模型。研究结果：1.纳米银材料表征：AgNPs-20呈球形,分散良好,平均粒径21.54 nm,平均水合粒径为43.76 nm,含银量29.08%。AgNPs-100呈椭球形,平均粒径79.04 nm,平均水合粒径为952.10 nm,含银量99.84%。2.纳米银对大鼠的急性毒性研究：①一般性指标和脏器系数的影响：与PVP对照组相比,AgNPs-20. AgNPs-100和AgNO3染毒后的大鼠毛色轻微灰暗,摄食和饮水减少,染毒3天左右恢复。染毒1d后,与PVP对照组相比,AgNO3染毒组的肝脏脏器系数增大,AgNPs-20染毒组和AgNPs-100染毒组肝脏脏器系数降低(P0.05)。②血清及尿液生化指标的影响：染毒1d时,与PVP对照组相比,AgNO3染毒组的TP含量下降,AgNPs-20染毒组的AST含量上升,AgNPs-100染毒组的ALT和AST含量上升,差异具有统计学意义(P0.01,P0.05)。染毒7d时,与PVP对照组相比,AgNPs-20染毒组和AgNPs-100染毒组的AST含量上升,差异具有统计学意义(P0.01),其他指标和PVP对照组相比无显著差异。③组织病理学检查：染毒7d后,与PVP对照组相比AgNPs-20染毒组和AgNPs-100染毒组大鼠肝脏有轻微病变,染毒1 d、14 d后,各组织病理学检查无异常。3.纳米银在大鼠体内的血液动力学和生物分布研究：①血液动力学：两组纳米银染毒组血银水平在1h内均呈快速下降趋势,1h～6h维持稳定。AgNO3染毒组大鼠的血银水平下降速度很快,在10 min时趋于稳定。采用DAS药物动力学软件计算,经统计矩分析,AgNPs-20、AgNPs-100和AgNO3组的主要动力学参数为：血液银含量-时间曲线下面积(AUC, mg/L*h)分别为：57.41±28.21,106.99±11.60,55.88±9.26；平均滞留时间(MRT, h)分别为0.54±0.27,1.88±0.11,2.57±0.11;消除半衰期(t1/2,h)分别为0.80±0.30,1.88±0.23,6.06±4.67；清除率(CL, L/h*kg)分别为0.63±0.35,0.25±0.03,0.04±0.02；分布容积(Vd, L/kg)分别为0.79±0.70,0.68±0.07,0.23±0.04。②组织分布：尾静脉注射纳米银后,在脑、心、肺、肝、脾和肾各主要脏器中均可检测到不同水平的银。染毒1d时,AgNPs-20主要分布在肝脏和脾脏,AgNPs-100主要分布在肺脏,AgNO3主要分布在肝脏；染毒14d时,两纳米银组的主要分布组织均为肝脏和脾脏。AgNO3主要分布于肝脏、脾脏和肾脏。③排泄途径：粪便和尿液14d累积排泄率分别为：AgNPs-20 (6.97%,0.15%), AgNPs-100 (4.40%,0.11%), AgNO3 (22.06%,7.60%).粪便为纳米银主要排泄途径。4. PBTK模型构建与验证结果：①通过收集大鼠生理学参数,纳米银生化指标,编译微分方程,初步构建AgNPs-20和AgNPs-100在大鼠体内的PBTK模型。②使用回归分析方法比较动物实验肝脏、血液数据与模型拟合数据,表明该模型对实际数据拟合较好,血液拟合数据Pearson相关系数分别为0.774和0.754。结论：大鼠尾静脉染毒30 mg/kg AgNPs-20和AgNPs-100后,体重、脏器系数和血清生化学和组织病理学改变提示大鼠的肝脏出现了轻微的急性毒性效应。体内动力学和生物分布研究结果表明纳米银在大鼠体内各主要脏器均有分布,特别是在脑组织中也有检出,说明纳米银或银离子可穿透血脑屏障进入脑组织。不同粒径纳米银在体内分布模式有所不同,染毒1d后,AgNPs-20主要分布在肝脏和脾脏中,AgNPs-100在肺脏浓度最高、肝脏和脾脏次之。染毒14d后,主要分布器官均为肝脏和脾脏,AgNPs-20组肝脾银浓度为AgNPs-100组的6-7倍,认为肝脏和脾脏为纳米银蓄积和作用靶器官,小尺寸纳米银在靶器官中蓄积更严重。排泄途径研究表明,纳米银进入大鼠体内后主要经粪便排泄,14d内经尿液排泄量仅为粪便排泄量的2%-2.5%,AgNPs-20的排泄速率比AgNPs-100略快,银离子进入大鼠体内也主要经粪便排泄,14d内经尿液排泄量为粪便排泄量的34%。经过参数收集和微分方程组构建,纳米银在大鼠体内的PBTK模型初步构建成功,将拟合数据与实际动物实验数据进行相关性分析,得到Pearson相关系数约为0.75,表明该模型拟合较好,可以初步模拟大鼠体内纳米银的代谢情况,有助于进一步分析不同粒径纳米银的代谢规律。同时可以作为人体内纳米银代谢模拟的数据基础,为纳米银的人体安全性评价提供依据。
【关键词】：纳米银 急性毒性 组织分布 PBTK
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R114
【目录】：

• 摘要4-8
• 英文摘要8-12
• 主要缩略词12-15
• 前言15-18
• 第一章 纳米银的材料表征18-22
• 1 材料与仪器18-19
• 2 结果19-20
• 本章小结20-22
• 第二章 大鼠尾静脉注射纳米银的急性毒性研究22-37
• 第一节 尾静脉注射纳米银对大鼠一般性指标以及脏器系数的影响22-26
• 1 材料与方法22-24
• 2 结果24-25
• 3 讨论25-26
• 第二节 尾静脉注射纳米银对大鼠生化指标的影响26-31
• 1 材料与方法26-27
• 2 结果27-29
• 3 讨论29-31
• 第三节 尾静脉注射纳米银对大鼠组织病理的影响31-35
• 1 材料与方法31-32
• 2 结果32-35
• 3 讨论35
• 本章小结35-37
• 第三章 纳米银的血液动力学和体内分布研究37-57
• 第一节 纳米银在大鼠体内的血液动力学研究38-45
• 1 材料与方法38-41
• 2 结果41-43
• 3 讨论43-45
• 第二节 纳米银在大鼠体内的生物分布研究45-51
• 1 材料与方法45-46
• 2 结果46-50
• 3 讨论50-51
• 第三节 纳米银的尿液和粪便代谢研究51-56
• 1 材料与方法51-52
• 2 结果52-53
• 3 讨论53-56
• 本章小结56-57
• 第四章 大鼠静脉染毒纳米银PBTK模型的初步构建和验证57-68
• 第一节 大鼠静脉染毒纳米银PBTK模型的初步构建57-63
• 1 方法57-59
• 2 结果59-63
• 第二节 大鼠静脉染毒纳米银PBTK模型的优化与验证63-67
• 1 方法63
• 2 结果63-65
• 3 讨论65-67
• 本章小结67-68
• 总结68-69
• 参考文献69-74
• 综述74-81
• 参考文献78-81
• 作者简介81-82
• 在研期间发表论文82-83
• 致谢83

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