纳米银及含纳米银医疗器械安全性评价

1、纳米银及含纳米银医疗器械的安全性评价 中国食品药品检定研究院1 一、研究背景 古地中海时代和古亚洲文化时代，人们就已经开始利用银的抗菌性。波斯王用银器装水消毒；古埃及人用泡银的纱布包扎伤口；本草纲目有“银屑，安五脏，定心神，止惊悸，除邪悸，除邪气，久服轻身长年”的记载；宋代人们学会了用银针试毒。 在近代，银在生物医学领域中的应用也十分广泛。美国和加拿大，很多家医院配备了银基净水系统，美国国家航天局还把银用在宇宙飞船上，用来净化水。2 银离子具有很强的杀菌性,在所有金属中其杀菌活性名列第二(汞名列第一,但有毒副作用、现已不用) 。多年来的研究表明,银离子对12 种革兰氏阴性菌、8 种革兰氏阳性菌

2、、6 种霉菌均有强烈的杀灭作用。 但近年来的研究表明，纳米银颗粒的抗菌性能远远大于传统的银离子杀菌剂,如硝酸银和磺胺嘧啶银，具有更好的杀菌效果。所以纳米银在医学上也得到了广泛应用。 3 银是一种安全的广谱抗菌材料。银被纳米化后，其抗菌作用产生了质的飞跃，极少量的纳米银即可产生强力的杀菌作用，于是含银的医疗器械成为近年来研究的热点。新型的纳米银抗菌纤维、纳米银敷料、纳米银凝胶、纳米银抗菌导管，纳米银避孕套不断地被开发出来。 2004年以来，已有29种含纳米银的医疗产品取得了省级食品药品监督管理局的注册批件 ，进入临床应用。 4目前，纳米银抗菌凝胶、纳米银敷料、纳米银抗菌纤维、纳米银骨水泥、纳米银

3、烧烫伤贴，纳米银导尿管、纳米银眼药、纳米银心脏瓣膜、纳米银隐形避孕套等纳米银医药产品不断被研制和开发出来。其中，纳米银凝胶和纳米银敷料在临床上的使用最为广泛。它是利用了纳米银广谱、强效、持久的杀菌能力来控制感染、加速伤口愈合等。5 但是，2003年以来，已有很多研究报告了纳米材料具有特殊的生物学性质：（1）从生物体整体而言，纳米材料在生物体内的分布途径及靶器官具有特殊性 （2）从细胞水平来讲，与常规材料不同，纳米颗粒可以通过各种方式直接进入细胞内，导致细胞功能的改变甚至丧失，影响细胞的正常工作。6纳米材料这些生物学特性可能会导致生物负效应。（1）纳米材料在生物体内的分布途径及靶器官具有特殊性，

4、可以分布和蓄积在常规材料无法到达的靶器官。所以，其毒性发生的部位、引起的毒性反应、造成的病理变化和毒性作用机理与常规材料有明显差异。（2）纳米颗粒可以通过各种方式直接进入细胞内，导致细胞功能的改变甚至丧失，影响细胞的正常功能。7纳米科学只有十几年的历史，人们对其的认识还不完全，因其具有宏观物质所不具备的特性，过去宏观物质的安全性评价结果及评价方法有可能不适用于纳米材料。Wise JP Sr, Goodale BC, Wise SS et al. Silver nanospheres are cytotoxic and genotoxic to fish cells. Aquat Toxicol

5、. 2010 Apr 1;97(1):34-41. Kumari M, Mukherjee A, Chandrasekaran N. Genotoxicity of silver nanoparticles in Allium cepa. Sci Total Environ. 2009 Sep 15;407(19):5243-6. AshaRani PV, Low Kah Mun G, Hande MP et al. Cytotoxicity and genotoxicity of silver nanoparticles in human cells. ACS Nano. 2009 Feb

6、24;3(2):279-90. 8二、体外细胞毒性和对细胞周期的影响9 材料纳米银颗粒（nano-Ag): 30-100nm Sigma公司，产品号为：576832微米银颗粒 (micro-Ag): 2-45mSigma公司，产品号为：327107利用TEM和SEM分别观测纳米银和微米银的形态和尺寸。10 微米银颗粒SEM照片(2-200um)300nm纳米银颗粒TEM照片(50-100nm)纳米银颗粒结构图111 .体外细胞毒性试验 传代4872h处于对数生长期的细胞，消化后调整细胞数为1105个/ml，均匀接种到24孔板内，每孔500l。细胞贴壁后，吸弃原培养液。将纳米银粉和微米银粉灭菌后

7、加入到细胞培养液中配制成一系列浓度的含银培养液，与L929细胞接触培养24小时。通过倒置相差显微镜观察其形态，采用MTT（四唑盐）比色法量化细胞毒性，计算相对增值率（RGR），并进行毒性评价。12 微米银试验组（见表2）经各钟浓度的纳米银作用后的细胞与对照组细胞的RGR值均无显著差异（P0.05），RGR75，毒性为01级。银浓度(g/ml)0(对照)50025010050251052.5RGR(%)1004.42*4.54*4.59*48.17*72.7381.3886.4294.02毒性评级44432111表1 纳米银组MTT试验结果银浓度(g/ml)0(对照)50025010050251

8、052.5RGR(%)10099.8693.7483.5187.8698.60104.2105.6103.9毒性评级11111000表2 微米银C组MTT试验结果各试验组与阴性对照组组间差异比较，a p 0.05132. 流式细胞仪检测细胞凋亡 Annexin V-FITC/PI 双染色法的基本原理是细胞凋亡早期改变发生在细胞膜表面。以荧光素FITC标记了的Annexin V作为荧光探针，利用流式细胞仪或荧光显微镜可检测细胞凋亡的发生。PS转移到细胞膜外不是凋亡所独特的，也可发生在细胞坏死中。碘化丙啶（PI）是一种核酸染料，将Annexin V 与PI匹配使用，可以将凋亡早期的细胞和晚期的细胞

9、以及死细胞区分开来。14纳米银和微米银颗粒对细胞周期的影响 Fig.3. Effects of SNPs / SMPs on cell cycle. *represents P0.0515Annexin V-FITC/PI双染法检测细胞凋亡Fig.6. Rates of cells in different SPs groupsA small part of them were apoptosis and necrosisMost of the cells were livingHowever, the apoptosis was dose-dependent with SNPs concen

10、tration At the same concentration, apoptosis of SNPs obviously higher than SMPs16Apoptosis Analysis by Annexin-V / PI StainingFig.7. Apoptosis of different SNP and SMP concentrationsFig.8. Apoptosis of SNP and SMP groups17Transmission Electron Microscopy (TEM) of SNPs treated Cell SectionsFig.9. Dif

11、ferent cells in SNPs group.Bar=3000nmFig.10. SNPs around and inside cells. Bar=400nm18Transmission Electron Microscopy (TEM) of SNPs treated Cell SectionsFig.9. SNPs being phagocytized Bar=400nmFig.10. SNPs phagocytized into the cell Bar=400nm19 400nm纳米银颗粒被细胞吞噬形成的吞噬小泡20三、纳米银的遗传毒性试验21 遗传毒性试验(in vitro

12、 Micronuclei Test) 试验条件：HeLa 细胞, 播种浓度为：5 x10*4 cells/60cm-dishCytochalasin B (+), S9 (-)受试物暴露24小时试验结果：n = 3mean SDP 0.05P 0.01P 0.001 NC (NaCl sol.)Ag-NPs-gelHydrogelPC (MMC)Ag-NPs-solutionFMN (%)Dose0.05ug/ml2ug/ml4ug/ml6ug/ml20mg/ml40mg/ml60mg/ml60mg/ml50ul2.5 0.799.5 0.35.07 0.517.0 0.828.67 0.32

13、7.23 1.918.7 0.629.3 2.7920.6 2.47224824h48hHydrogelAg-NPs-GelAg-NPsHydrogelAg-NPs-GelAg-NPsUnique probe41,00041,00041,00041,00041,00041,0005Log2624Log2571093Log2411161313412Log23310185192211511Log222,6282,3252,3351521,080141Log2119,66321,31820,76823,54722,29125,4512Log212,2131,8971,9171,2861,922233

14、Log221531381061672824Log23514145Log24116Log25Total24,94825,89125,34225,16025,75125,490 Gene expression profiling (Micro-array) 表达增加或减少的基因数目23 基因表达变化的定量分析(real-time PCR) RNA：来源于纳米银凝胶(Ag-NPs-Gel)及不含纳米银的水凝胶(Hydrogel)添加48h后的HeLa细胞(与DNA微阵列分析同一样品)Relative mRNA expression(%GAPDH copy number)24纳米银具有潜在的遗传毒性已

15、有文献报道，如：Ag-NPs(25ug/ml)处理的IMR-90(正常人肺纤维细胞)显示了染色体畸变率达10%，对照组为0。AshaRani, PV et al., BMC Cell Biology, 2009.纳米银溶液和纳米银凝胶诱发Hela细胞微核形成率较对照组明显增高，提示有潜在的遗传毒性；不含纳米银的凝胶其微核形成率和阴性对照组略有增加，而纳米银溶液所诱发的微核形成率明显增加，证明纳米银凝胶诱发的微核形成主要由纳米银引起。这一结果提示在本试验条件下，本试验所用的纳米银凝胶对HeLa细胞有一定的潜在遗传毒性。结果讨论：Ag-NPs(1.0ug/ml)处理的HepG2显示了诱发微核形成率

16、达47.93.2%，对照组为2.10.4%。Kawata, K. et al. PV et al., Environ. Sci. Technol, 2009.天津科学技術大学系统生物技术Teda Bio-X Center张教授发现了纳米银直接阻碍遗传物质DNA的复制忠实性 , Nanotechnology, 2009.细胞毒性和遗传毒性的机理？25 四、纳米银的生殖毒性 试验26In vivo toxicity of silver NPs-based hydrogel in reproductive organsMaterials:Rabbit, adult, female, bodyweig

17、ht: 2.0-2.4kgSilver-NPs-based hydrogel, gifted from co-laboratory partner, Silver-NPs conc.: 0.38g/mg (ICP-MS) Size: 3-5nm, 47.9%; 5-10nm, 50.8%; 10-30nm, 1.3% (TEM) PH：5-8 hydrogel was composed of sterile water, glycerine, carbomer and triethanolamine (TEA). Dosing:To monitor a long-time and high-d

18、ose exposure, a ten-times dosing was selected by 6 days continuously exposure of Ag-NPs-hydrogel by vaginadirectly administrating. Dose in rabbit = g/kg (human) x 2.3 x 15 = 2.0g/kg/day, 27Distribution of silver in reproductive organsThe contents of silver accumulated in reproductive organs after da

19、y 1, 3, 6 exposure. Day0: non-treatment control; Y-axis: Related fold-changes to the control. The silver contents were detected by ICP-MS. the silver contents showed higher than control as 5 to 25-fold at 6 days exposure in all reproductive organs. ICP-MS测定结果显示，纳米银凝胶阴道内给入后第1天和连续给入后第6天，血液、阴道粘膜、子宫组织、输

20、卵管组织及卵巢组织内银含量均较对照组明显增高。Standard materials of pure silver : GBW08610 28Tissue morphological changesD6-CD0-CD0-UD0-VD6-VD6-U100 m100 m100 m100 m100 m100 mD6-OD6-TD0-OD0-T100 m100 m100 m100 mTissue morphological changes (HE stain) after 6 days exposure of silver NPs-hydrogel.D0: non-treatment control;

21、D6: silver NPs-hydrogel exposure for 6 days;.纳米银凝胶阴道粘膜给药6天后各生殖器官组织HE染色图像D0: 正常对照组；D6:纳米银凝胶阴道粘膜连续给药6天；V: 阴道粘膜;C: 宫颈 U: 子宫；T: 输卵管；O: 卵巢the vagina mucus-membrane shrinkage vascular expansion in the cervix of the uterus mucus-membrane shrinkage of uterine tube 29Ultra-structural pathology (TEM)A. Vagina

22、 mucous membrane, X 20 000; B. Cervical tissues, X80 000; 2 m A500nmB2 mDC500nmC. Ovary tissues, X80 000; D. Ovary tissues, X20 000纳米银凝胶阴道粘膜连续给药6天后透射电镜观察显示，阴道粘膜层许多细胞核内染色质边聚浓缩、核固缩、呈现明显的凋亡特征, 可见微核形成。输卵管粘膜内圆形高密度的纳米银颗粒，细胞核形状异常、碎裂。Silver-NPs-like round particle Silver-NPs-like round particle Nucleus disr

23、uptionChromosome concentrationMicronucleus,Chromosome concentration30小结纳米银凝胶阴道粘膜持续大量给药后会在生殖器官组织内造成不同程度的纳米银蓄积，引起阴道粘膜组织和子宫内膜组织，乃至卵巢组织不同程度的超微病理变化。子宫内膜及卵巢组织内许多凋亡细胞的存在，提示纳米银凝胶可能存在遗传毒性及生殖毒性风险。基因表达谱分析提示，ROS信号通道相关的金属结合蛋白家族基因的显著增高，细胞周期及有丝分裂信号通路的激活可能是纳米银凝胶引起细胞毒性的主要作用机制。31 五、全身亚慢性毒性试验32wistar品系大鼠70只，雌、雄各半,体重10

24、0-120g。 大鼠在实验动物室饲养7天后。按体重随机分为7组，每组10只，雌、雄各半，3组大鼠分别皮下植入纳米银0.06mg/cm2,0.018 mg/cm2,0.006 mg/cm2 ，另3组大鼠分别皮下植入微米银0.06mg/cm2,0.018 mg/cm2,0.006 mg/cm2 ，对照组只做手术，不给药。给供试品期间密切观察各组动物的外观体征、粪便性状，每周称体重一次。每14天植入一次供试品，共植入6次。90天后，眼眶静脉丛取血，测定血红蛋白浓度（HGB）等血清生化学指标。并于次日处死，系统尸解，称取心、肝、脾、肺、肾、肾上腺、脑、子宫（卵巢）、睾丸的重量并计算脏器系数，另取部分组

25、织，肉眼观察后，将上述组织全部放入中性10甲醛溶液中固定，石蜡切片、HE染色、显微镜下观察各脏器的病理组织学变化。33 大鼠皮下植入纳米银粉和微米银粉90天后，大鼠一般状况良好，体重增加。血液学指标和生化学指标均在正常值范围内，无明显临床意义。各脏器系数均在正常值范围内，与对照组比较无显著性差异。病理组织学检查未见与受试物毒性作用有关的病理组织学改变。给予不同剂量纳米银粉大鼠未见与剂量有关的毒性反应。纳米银和微米银在亚慢性毒性实验中未见明显毒性反应 34六、纳米银在体内的代谢和分布35 1.皮下植入试验 将120只雌性Wistar大鼠随机分为4组，分别为空白对照组、纳米银1次组、纳米银10次组

26、、微米银组；每组分别注射1ml细胞培养液（空白对照溶液）、纳米银混悬液和微米银混悬液，其中纳米银10次组分10次注射，每次注射0.1ml；银的注射总量均为62.8mg/kg，注射方式为皮下注射。分别在2周、4周、8周、12周、18周、24周时，每组任选5只动物，转移到代谢笼中饲养，收集动物24h粪便和尿液；之后分别从这些动物股动脉取约3ml血液；然后断髓处死动物，解剖取注射部位、脑、心、肝、脾、肺、肾、一根股骨、卵巢、子宫、肾上腺。36将所有脏器、血液和排泄物，用HNO3和HClO4消解，利用ICP-MS测试消解液中的Ag含量，再根据测试结果计算每个脏器中的Ag含量。分别在2周、12周、24周

27、时，每组任选3只动物，解剖后用手术刀从取出动物的注射部位皮肤、肾、肝、脾、脑、肺中取一小块，处理后进行超微病理分析。 37结 果注射后的纳米银和微米银在大鼠体内的分布代谢主要可分为3个部分：（1）蓄积在注射部位（2）被代谢排泄到体外（3）从注射部位迁移出并分布到体内其它脏器。 38纳米银：这两部分总和99.85%微米银：这两部分总和99.98%注射部位 排泄物39（1）注射部位 纳米银微米银 纳米银和微米银组动物注射部位病理照片（200）40图1-16 粪便中银含量变化曲线图41迁移到体内的银纳米银更易分布到体内其它脏器4243图4.5 肾脏银含量变化曲线图44图4.6 肝脏银含量变化曲线图4

28、5图4.8 脑部银含量变化曲线图46图4.9 肺部银含量变化曲线图472周 12周 24周 20000 Bar300nm 20000 Bar300nm 40000 Bar100nm肾小管上皮细胞中的纳米银颗粒48 2周 12周 24周 40000 Bar100nm 20000 Bar300nm 40000 Bar100nm 超微病理照片显示在肝细胞中也发现有纳米银颗粒。推测是部分纳米银颗粒依然会以单分散的形式存在，并进入了肝细胞内。 49The silver content in brain versus time curves502周 12周 24周20000 Bar300nm 40000

29、Bar100nm 40000 Bar100nmsilver nanoparticle in neuron51（1）血脑屏障体外模型的构建 BMVECs/ACs共同培养血脑屏障体外模型BMVECs/ACs共同培养血脑屏障体外模型血脑屏障示意图52（1）纳米银颗粒通过血脑屏障的研究53 a b c血脑屏障血管内皮细胞内的纳米银颗粒 a, b 纳米银组血管内皮细胞中有纳米银颗粒 c 微米银组血管内皮细胞中未发现颗粒物（2）纳米银颗粒通过血脑屏障机理的研究54进入体内的纳米银颗粒可能是以两种状态分布到全身第一，纳米银在体内可能被体液溶解，产生Ag，这些Ag再分布于全身。第二，因为纳米银表面带负电荷，可

30、与蛋白质的正电荷因静电吸附而形成的牢固结合，所以纳米银颗粒具有良好的亲蛋白性，可与血浆蛋白或其它生物蛋白反应，材料表面覆有一层生物蛋白膜或者血浆蛋白膜，这些覆蛋白膜的纳米银流动性更好，通过蛋白的代谢，分布于全身。 55 2. 敷料(II度烫伤)新西兰雌兔48只 ，随机分为4大组（空白对照组、II度烫伤普通剂量组、II度烫伤高剂量组、III度烫伤高剂量组）及16小组，每小组3只。在给药后的2天、4天、1周、2周、1月及2月处死并测量各组织中的银含量。烫伤模型：根据童亚林的不同深度兔耳烫伤创面模型的研究，制作兔耳烫伤模型：每只耳朵背部4个直径2.5cm大小的烫伤创面。用阿希米纳米银医用敷料覆盖于烫

31、伤表面后包扎固定。 56II度烫伤高剂量组结果 血液中银含量变化图肝脏中银含量变化图肾脏中银含量变化图脾脏中银含量变化图57II度烫伤普通剂量组结果 血液中银含量变化图肝脏中银含量变化图肾脏中银含量变化图脾脏中银含量变化图583.妇科用(阴道粘膜)试验材料:阿希米纳米银妇女外用抗菌器，纳米银凝胶型。生产批号:09060，产品标准号：YZB/粤0329-2003。生产许可证：粤食药监械生产许。生产厂家：深圳市源兴纳米医药科技有限公司。给药剂量:按药品使用说明书, 成人给药剂量为1支/天，药品规格为3g0.3g/支,连续5天为一疗程。根据动物与人体的每公斤体重剂量折算系数表,折算得兔的用药量为3/

32、60*2.30=0.115g/(kg.天）,本试验采用5倍的临床剂量，实际给药剂量为0.1155=0.575 g/(kg.天）59 各脏器、血液在不同时间点上的Ag含量(g/g) 血液-0.500.511.522.58小时24小时1周1月3月银含量(ug/g)空白组试验组肝脏00.511.58小时24小时1周1月3月银含量(ug/g)空白组试验组肾脏00.511.522.538小时24小时1周1月3月银含量(ug/g)空白组试验组脾脏00.511.522.538小时24小时1周1月3月银含量(ug/g)空白组试验组60 注射凝胶后24小时，纳米银在所测的各个器官中均有分布，阴道是纳米银主要的分

33、布器官，其银含量高于其它组织达3倍以上。但到注射1周后，各组织中的银含量均大幅度下降，到注射1个月和3个月后，各试验组脏器中的银含量已与空白组无显著性差异。 子宫 00.511.522.58小时24小时1周1月3月银含量(ug/g)空白组试验组阴道0246810128小时24小时1周1月3月银含量(ug/g)空白组试验组61各组织中的银含量测试结果表明，纳米银可以通过血液循环系统迁移，并在体内肝、肾、脾、子宫、阴道等主要脏器中分布，其中经阴道粘膜的局部吸收量较高。 结合各主要器官的病理切片观察结果，可以看出：在模拟临床给药途径，采用5倍临床给药剂量1疗程（5天）的情况下，纳米银凝胶1月后在这些

34、组织中无明显蓄积。62总结1.细胞毒性与剂量成正相关;2.有潜在的遗传毒性和遗传毒性;3.可进入细胞器, 随血循环到各脏器, 穿透血脑屏障。在皮下植入，0.1-0.2%进入其他脏器，约40%通过粪便排出，约60%在原位 ；用于烧伤，2月后代谢到正常水平；用于粘膜，1月后代谢到正常水平。63七. 纳米银的安全性评价风险分析原则：体内大于体外体内的吸收分布安全剂量64Papers were published1. Jinglong Tang, Ling Xiong, Guofeng Zhou, Shuo Wang, Jianyu Wang, Li Liu, Jiage Li, Fuqiang Yu

35、an, Songfang Lu, Ziyi Wan, Laisheng Chou, and Tingfei Xi, Silver Nanoparticles Crossing Through and Distribution in the Blood-Brain Barrier In Vitro , Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2010,10:15 .2. Lina Wei, Jingling Tang, Zhixiong Zhang, Yanmei Chen, Gui Zhou, Tingfei Xi. Investigation o

36、f the cytotoxicity mechanism of silver nanoparticles in vitro. Biomedical Material.5(2010)044103(6pp).3. Jinglong Tang，Ling Xiong，Shuo Wang，Jianyu Wang，Li Liu，Jiage Li，Fuqiang Yuan，Tingfei Xi. Distribution, translocation and accumulation of silver nanoparticles in rats. Journal of nanoscience and na

37、notechnology，2009，9(8)，4924-4932. 654. Jinglong Tang, Ling Xiong, Shuo Wang, Jianyu Wang, Li Liu, Jiage Li, Ziyi Wan, Tingfei Xi. Influence of silver nanoparticles on neurons and blood-brain barrier via subcutaneous injection in rats. Applied Surface Science，2008, 255（2）：502-504 .5. Chen DD, Xi TF, Bai J. Biological effects induced by nanosilver particles: in viv