碳纳米管（Carbon nanotube, CNT）是重要的一维纳米材料，由于其良好的力学、电学和化学性能，可用作超强纤维、隐身材料、大功率超级电容器、传感器等，在纳米材料、信息、光电、能源、传感及生物医学多个领域有着广泛的应用前景，被称为“明星材料”。CNT的生产操作中无法避免职业人群的接触，所以，工业的快速发展要求CNT的制造和应用必须要符合健康和安全的标准。另外，随着大量CNT材料进入消费市场，CNT的相关产品将和人们日常生活密切相关。
目前的毒理学研究显示，CNT呼吸暴露可以引起实验动物肺部炎症和纤维化反应，出现局部肉芽肿和间质瘤的趋势。但是更令人担忧的是CNT呼吸暴露在人群日常生活中的现实意义，除了生产工作场所中CNT的空气环境释放，在巴黎、美国等地（尤其是911事件现场）的空气样本中均检测到CNT。2015年的一篇报道显示巴黎地区64位患有哮喘病儿童的肺灌洗液样本中检测到CNT且结构类似。大气中的碳纳米管对人类健康的潜在影响成为广泛关注的现实问题。然而迄今为止，CNT呼吸暴露多局限于肺部或心血管系统病变，而缺乏对全身系统影响和长期健康效应的研究。
2019年6月24日，Nature Nanotechnology杂志在线发表了国家纳米科学中心陈春英课题组和中国科学技术大学朱涛课题组在纳米生物安全与毒理学研究领域的最新发现：碳纳米管呼吸暴露后的延迟毒性可导致原位乳腺肿瘤的多发性转移，论文题目为Long-term pulmonary exposure to multi-walled carbon nanotubes promotes breast cancer metastatic cascades。该研究首次报道了CNT长期呼吸暴露对除肺部外的远端器官或组织的肿瘤发生发展的影响。
此研究表明，单次碳纳米管呼吸暴露后的延迟纳米毒性可导致小鼠原位乳腺肿瘤的全身广泛转移。研究人员对小鼠进行单次气管滴注（60 μg/只小鼠）多壁碳纳米管。4个月后，研究人员观察到CNT仍然沉积在肺部中，并引起显著的局部炎症和纤维化反应，以及巨噬细胞、成纤维细胞、骨髓来源的抑制性细胞（Myeloid-derived suppressor cells，MDSCs）等炎性细胞在肺组织的聚集。随后，在小鼠第三对乳房（脂肪垫）种植稳定转染荧光素酶的4T1小鼠乳腺肿瘤细胞。21天后，研究人员进行乳腺肿瘤切除手术，一方面对原位肿瘤进行分子和病理学研究，另一方面借助肿瘤细胞中稳定表达的荧光素酶，观察乳腺肿瘤细胞在体内的转移情况。研究发现，沉积于小鼠肺部的CNT引起的局部微环境改变可显著增强乳腺肿瘤细胞侵入临近血管和周边组织的能力，并促进肿瘤组织内血管生成，从而导致乳腺肿瘤细胞向肺部的转移，形成快速生长的转移灶，甚至进一步在体内形成多器官转移。
图2. 多壁碳纳米管肺部暴露促进乳腺肿瘤血管生成和乳腺肿瘤细胞浸润能力(A); 多壁碳纳米管肺部暴露促进乳腺肿瘤细胞向肺部的转移，形成快速生长的转移灶；甚至进一步在体内形成多器官转移(B,C)。
为了研究其分子机制，研究人员利用了多因子检测系统对小鼠肺灌洗液和血清样本中的30多种因子进行检测，发现一系列炎性因子表达明显上调，其中碳纳米管滴注组小鼠的血清样本中的VEGFA水平的上调最为显著。VEGFA，即血管上皮细胞生长因子A，是促进血管生成的关键性因子。进一步病理学和分子细胞学研究表明，CNT肺部长期蓄积，刺激肺成纤维细胞和巨噬细胞分泌的VEGFA经血液循环到达乳腺肿瘤，一方面直接促进肿瘤血管生成，另一方面上调肿瘤细胞内源性VEGFA与COX-2的表达，从而启动VEGFA-COX-2的正反馈通路，使乳腺组织内血管生成持续增强，为肿瘤细胞的转移提供更加“丰富的营养”和“肥沃的土壤”。与之相呼应，CNT暴露形成的肺局部炎症和纤维化也为促进肿瘤细胞定向转移到肺及进一步侵袭生长，提供了转移前的肺部微环境与转移后的肿瘤微环境。
图3. 多壁碳纳米管在肺部的长期沉积可促进原位乳腺肿瘤血管生成，乳腺肿瘤细胞浸润能力的机制示意图
总之，此项研究首次证实了肺部CNT长期暴露对远端部位的乳腺肿瘤转移有明显的促进作用，长期存在的肺部局部炎症可能是乳腺癌进展的主要风险。该研究工作同时开拓了纳米材料呼吸暴露对远端部位肿瘤发生和发展的毒理学研究新领域。系统性地深入研究典型纳米材料长期暴露的生物安全性和毒理学机制，不但让我们意识到对生产场所的职业人群的健康防护迫在眉睫，同时对普通人群暴露的健康效应研究也具有巨大的现实意义。
“科技要领先，产品要安全”已成为国家战略，产品安全始终是一个国家能否发展的命脉。包括我国在内的许多国家正积极开展纳米材料生物安全性的研究，把纳米生物环境健康效应以及职业卫生防护等问题列在纳米科技发展战略的重要位置，以促进纳米技术更好的安全应用和可持续发展。
据悉，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心博士研究生吕雪菲和生命学院博士研究生朱勇为共同第一作者。国家纳米科学中心陈春英研究员和中国科学技术大学生命学院朱涛教授为本文的共同通讯作者，双方团队在肿瘤的精准医学研究及纳米物质的生物学效应领域有着持续深入的工作。
注：Nature Nanotechnology同期刊发了英国伯明翰大学Iseult Lynch教授针对该文章的评述。Iseult总结到该结果意义深远（The importance of these results is far-reaching），并提出该实验也提供了一个重大的机会即利用纳米材料去探索与肿瘤转移有关的信号通路，促进对临床治疗干预的理解。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-019-0472-4