在2019年，ChemSec將碳納米管添加到SIN列表中，原因是它們具有致癌性、持久性并且可能對生殖有害。至此，CNT成為此列表中的首個納米材料。
今年2月，奇物論針對發表在Nature Nanotechnology的報道進行相關探討，詳見：關注丨由于致癌風險，碳納米管被列入國際危險品清單，成為清單中的首個納米材料！
近日，國際頂級期刊Nano Today發表了樊春海院士、諸穎研究員等人的一項關于氧化石墨烯（GO）的毒理學研究，表明GO的血液暴露可能導致過敏性死亡。
以下為具體論文研究表述：
氧化石墨烯（GO）及其衍生物是新興的一類碳納米材料（CNM）。由于其獨特的二維（2D）結構，GO具有出色的功能，例如超高表面積，使其成為一種極具吸引力的工業應用材料。GO在光學/電子電路、能量產生和存儲等工業應用中的不斷增加的生產和使用，這增加了人類接觸GO的機會。同時，最近的研究也致力于生物醫學應用，包括癌癥診斷、藥物輸送和免疫治療。但是，這些研究通常還停留在基礎研究階段，臨床轉化有限。一個主要障礙是體內使用GO的安全問題。因此，迫切需要評估GO對人類健康的影響。
已經對GO的毒理學進行了廣泛的研究，主要是在體外細胞和小模型動物的水平上。但是，在不同劑量的不同水平模型上的研究中，結論常常差異很大，甚至彼此矛盾。例如，小鼠在體外培養的細胞和斑馬魚中經常觀察到的CNMs誘導的氧化應激。此外，在動物物種中，對相同材料的免疫反應也不同。尤其是，GO對人類的潛在影響仍待探索。由于非人類靈長類動物與人類的密切遺傳和生理關系，它們可能提供有價值的信息。但是，目前尚無非人類靈長類動物中GO的毒理學資料。
成果簡介：
鑒于此，上海交通大學樊春海院士、中科院上海高等研究院諸穎研究員等人研究了在最大安全起始劑量下，血液暴露于GOs對BALB/c小鼠和非人靈長類動物（食蟹獼猴）的影響。研究表明GO的血液暴露可能誘導非人靈長類動物的過敏性死亡，成果發表于Nano Today上。
實驗設計如圖1所示，由以下部分組成：
（1）每個CNM的血液循環，
（2）在不同時間點進行血液、生物醫學標記和尿液常規分析，
（3）給藥后90 d的主要器官組織病理學評估，
（4）給藥后90 d的微量元素生物分布觀察，
（5）注射后每周監測溫度和壓力。
（6）注射后每周監測體重。
圖|材料和實驗設計
安全劑量取決于其尺寸和形狀
該研究使用的為PEG化GO，其尺寸范圍為20-80nm。Zeta電位為輕微的負電荷。體外細胞毒性實驗顯示：GO最高安全劑量約51 μg/mL，NDs為52μg/mL，而SWCNT呈現出更低的最大安全劑量（1.5 μg/mL）。這些結果表明，CNMs的安全劑量取決于其尺寸和形狀。
劑量轉換
在動物實驗中，根據需要，通過靜脈內輸注（2mL/min），向各組猴子施用在0.9％氯化鈉中的CNM分散體。根據美國FDA指南，注射劑量按照以下以下公式進行轉換：
計算得出，GO對獼猴的最大推薦起始劑量（MRSD）為4 mg/kg。SWCNTs和NDs的MRSD分別為4 mg/kg和0.12mg/kg。
快速致死
研究結果很令人驚訝，在121只接受治療的小鼠中，有7只在GO暴露后1-12小時死亡（死亡率為5.8％）。還觀察到至少有一只老鼠在死亡之前經歷了嘔血。至于獼猴，5只猴子中有1只在GO暴露后約1.5小時內死亡的（死亡率為20％）。在死之前，這只猴子蹲在地上，表情很痛苦（看似胸痛），伴有嘔血。相比之下，分別在其MRSD下進行ND或SWCNT給藥的卻沒有引起動物的任何嘔血或死亡。
發生急性肝和心臟損傷
為了找出死亡原因，研究人員首先在接受GO治療的動物中進行了時間點的血液檢查。檢查指標包括2個肝功能指標和2個心臟指標。
觀察到20只小鼠中有5只（25％）的指標水平異常，與對照組的平均水平相比，這些小鼠的這些指標上升了約3-20倍。特別是，CK水平顯示出快速升高（暴露后第1小時升高4倍）。這些異常指標表明在這些動物中發生了急性和嚴重的肝和心臟損傷。至于死去的猴子，與對照組相比，其AST，ALT，CK和LDH的水平也分別上升了約8倍，20倍，10倍和21倍。
過敏反應致死
上面結果表明在這些GO治療的動物中可能存在過敏反應（或超敏反應）。過敏反應是一種通過接觸致敏生物體中的特定抗原而引發的嚴重的，威脅生命的超敏反應（HSR）。它通常在暴露后幾分鐘到幾小時內發生，且與某些肝/心臟指標突然升高有關。值得注意的是，在小鼠中，具有異常指標的發生率（25%）遠高于死亡率（5.8%），表明小鼠可能遭受這種異常情況但存活下來。此外，來自所有存活的GO處理的猴子的指標在正常范圍內，表明與等效劑量下的小鼠相比，猴子對GO誘導的過敏反應的耐受性較低。
然后，研究人員檢測了下過敏反應的相關指標（IgE和IL-4），2.8％存活的小鼠在暴露于GO后，IgE水平升高至180倍以上。數據證實了GO在哺乳動物中誘導IgE介導的過敏反應。
圖|GO誘發鼠類和非人類靈長類動物的過敏反應
循環時間長惹的禍？
接下來，研究人員研究了動物體內GO的血液循環。GOs的平均血漿半衰期無論在小鼠體內還是在猴子體內均比NDs和SWCNTs的要長，在猴子中，GOs的血漿半衰期約為40 h，而NDs和SWCNT的分別為79 min和4 h。這些結果表明GO觸發的過敏反應可能是由于GO的血液循環時間長引起的。
過敏反應致肺充血
對死亡的小鼠和猴子進行解剖檢查，在組織學圖像中，發現肺實質對肺泡呈現嚴重的結構損傷。大量紅細胞滲入肺泡腔，表明彌漫性肺泡出血。還觀察到黑色GO顆粒狀在肺實質中。而心臟，肝臟，脾臟，腎臟和淋巴液樣本則無明顯變化。因此，推測GO在血液中的長循環可能導致其遠端滯留和沉積在肺組織中，這可能在那里引起過敏反應，導致致命的肺充血。
圖|GO引起的跨物種過敏反應分析
個體間差異
但是，除了GO引發的過敏反應外，包括GO在內的所有三個CNMs對于動物的不良影響均很小，主要器官的病理變化也很小，且沒有觀察到小鼠或猴子的行為異常。值得注意的是，在某些時間點，暴露于GO或SWCNTs的小鼠或猴子的肺或脾臟中似乎有少量黑色顆粒狀沉淀，表明這兩種CNMs可以在身體組織中保留數天甚至幾周。然而，CNM沉積不一定誘導過敏反應。相比之下，發現NDs可以在一星期內在小鼠中所有器官中清除，這表明NDs引發過敏反應的風險較小。
圖|鼠類和非人類靈長類動物中三種CNM的生物相容性評估
討論與總結
眾所周知，納米材料的生物學性質高度依賴于它們的結構參數和表面化學/物理性質。如該研究使用的2D、1D、0D碳納米材料產生的結果也不一樣，2D GO材料的血液暴露可能在小鼠和非人靈長類動物中誘導過敏反應。鑒于制備過程很難控制精確的尺寸和形狀，因此毒理學研究CNMs的結論經常不一樣或相互矛盾，這現象也是合理的。
還值得注意一點就是，不同的物種和個體間存在差異性，簡單轉換來自其他物種的等效GO劑量不能確保人類的安全。而非人靈長類動物，則可以重現人類患者的臨床癥狀，因此適用于臨床前安全性研究，這表明納米材料在高等哺乳動物中的體內應用應該受到更多關注。特別是，在GO和GO衍生物的人體試驗之前，需要單獨的過敏試驗和篩選過敏反應拮抗劑作為輔助手段。
綜上所述，本文證明在MRSD下GO的血液暴露可能誘導非人靈長類動物的過敏性死亡。盡管GO在大多數小鼠或猴子中沒有顯示出急性或長期的不良反應，但GO引起的不可忽視的過敏反應甚至死亡引起了對其體內安全性的擔憂。因此，這項研究表明，在生物醫學使用納米材料之前，逐一的過敏測試是必不可少的。
參考文獻：
YunfengLin, et al.,Blood exposure to graphene oxide maycause anaphylactic death in non-human primates. Nano Today 2020.
https://doi.org/10.1016/j.nantod.2020.100922
