生物合成铜与氧化锌纳米颗粒经腹腔与静脉注射大鼠的体内毒性评价

摘要

铜（Cu）和氧化锌（ZnO）纳米颗粒（NPs）广泛用作化妆品、食品添加剂和医药中的抗菌剂，但其对人类和生态系统的潜在毒性仍是关键关切。本研究考察了生物合成CuNPs（Bio-CuNPs）和ZnONPs（Bio-ZnONPs）在雄性威斯塔大鼠中的体内命运和安全性，给药途径为腹腔注射（i/p）或静脉注射（i/v）。剂量范围：Bio-CuNPs 6.1–19.82 µg kg⁻¹，Bio-ZnONPs 11.14–30.3 µg kg⁻¹，反映抗菌研究中的使用浓度。28天观察期内监测死亡率、体重、行为、血液学、血清生化（肌酐、ALT、AST、ALP）、器官重量及肝、肾、脾、脑组织病理。两组均无死亡。Bio-ZnONPs无论给药途径均未改变肝肾生物标志物，体重变化极小。相反，Bio-CuNPs在9.5–11.7 µg kg⁻¹（i/v）下导致血清ALT、AST、ALP轻中度升高并持续至第28天，伴随脾脏和肝脏指数下降及肝空泡变性、肾小管损伤的组织学证据。腹腔给药途径减轻了这些效应。总体而言，Bio-ZnONPs表现出更优的安全性，提示其适合静脉注射生物医学应用。

研究背景

铜和锌是必需微量元素，但其纳米颗粒形式过量暴露可引发溶血、胃肠道刺激和器官毒性。随着金属基纳米颗粒在消费和医疗产品中的快速扩展，理解其生物相互作用和潜在危害至关重要。既往体内研究多关注CuNPs和ZnONPs的鼻内、气管内和口服给药，而系统性给药途径——静脉（i/v）和腹腔（i/p）的数据稀缺。本工作填补这一空白，评估16–96 nm生物合成CuNPs和ZnONPs在雄性威斯塔大鼠中的毒代动力学和器官水平效应，剂量范围与抗菌疗效研究一致。

材料与方法

生物合成

利用非致病性粪肠球菌上清液细胞外合成CuNPs和ZnONPs，得球形颗粒，CuNPs粒径12–90 nm，ZnONPs粒径16–96 nm（FeSEM和TEM确认）。

动物实验设计

16–17周龄雄性威斯塔大鼠（160–200 g）适应1周后分组。随机分配至每条给药途径（i/p和i/v）六组，每组6只。以无菌水配制50 mg mL⁻¹母液，稀释至终浓度：CuNPs 6.1–19.82 µg kg⁻¹，ZnONPs 11.14–30.3 µg kg⁻¹。对照组给予蒸馏水。所有程序遵循GLP并经机构动物伦理委员会批准（批准号346/CPCSEA）。

观察指标

每日记录临床体征；每两天监测饮食饮水、体重和行为。第14和28天测定血液学（RBC、WBC、血红蛋白、血小板）和血清生化（肌酐、ALT、AST、ALP）。剖检获取器官重量，器官指数计算为：Oₓ = (器官重/动物重) / (对照器官重/对照动物重)。肝、肾、脾、脑组织切片经H&E染色显微镜检查。

统计分析

数据以均值±SD表示（N=6/组）。ANOVA事后检验评估统计显著性；p<0.05视为显著。

结果与讨论

体重与临床观察

所有大鼠存活28天。两种纳米颗粒体重下降均温和（<5%）且短暂。Bio-ZnONPs体重变化最小，而Bio-CuNPs最高i/v剂量（11.7 µg kg⁻¹）至第28天显著下降（p<0.05）。

血液学

第14天血液学显示Bio-CuNPs（i/v）在IC₅₀和TLC剂量下RBC、WBC、血小板轻微非显著下降。第28天血液学指标恢复基线，表明无持续造血毒性。Bio-ZnONPs任何剂量和途径均未改变血液学指标。

血清生化

所有组肌酐维持正常。Bio-CuNPs（i/v）致ALT（高达67.7 mg dL⁻¹）、AST（70 IU L⁻¹）、ALP（128 IU L⁻¹）适度升高并持续至第28天，反映肝细胞和胆汁淤积损伤。相反，Bio-ZnONPs（i/v和i/p）任何剂量均不显著改变ALT、AST、ALP。腹腔途径减轻了Bio-CuNPs的肝酶升高，凸显给药途径依赖性毒性。

器官指数与组织病理

Bio-CuNPs（i/v）在IC₅₀和TLC剂量下显著降低肝、脾指数（p<0.05），Bio-ZnONPs未引起可检测变化。组织学印证：Bio-CuNPs（i/v）诱导肝细胞质空泡化、中央静脉充血、肾小管坏死；Bio-ZnONPs保持正常结构。Bio-CuNPs（i/v）脾脏红髓细胞减少，Bio-ZnONPs暴露后脾结构完整。

给药途径依赖性毒性

静脉给药持续引发Bio-CuNPs更大的生化和组织学改变。Bio-ZnONPs经两途径均耐受良好，仅有轻微可逆体重变化，无器官损伤。

结论

本全面体内评价表明，系统给药时生物合成ZnONPs比CuNPs具有更优安全性。CuNPs诱导剂量依赖性肝毒性和肾损伤——特别是静脉途径——而ZnONPs在可比浓度下几乎无不良效应。结果支持进一步探索静脉注射ZnONPs用于生物医学应用，CuNPs需谨慎优化剂量和途径以减轻器官毒性。

缩写

ALT

丙氨酸氨基转移酶

AST

天冬氨酸氨基转移酶

ALP

碱性磷酸酶

Bio-CuNPs

生物合成铜纳米颗粒

Bio-ZnONPs

生物合成氧化锌纳米颗粒

IC₅₀

半抑制浓度

NOAEC

无观察到有害效应浓度

TLC

完全致死浓度

i/p

腹腔注射

i/v

静脉注射