研究论文报告

一、研究概况

本文介绍了一项由中国科学院生态环境研究中心环境化学与生态毒理学国家重点实验室的王旭东、徐丽宁、马明浩、徐明、周群芳、刘思金和江桂斌等人合作完成的研究。该研究于2023年6月7日在线发表于 Advanced Functional Materials 期刊（DOI: 10.1002/adfm.202302366），通讯作者为徐明。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

二、学术背景

银纳米颗粒（silver nanoparticles，AgNPs）是目前应用最广泛的纳米抗菌剂之一，在农业食品工业和临床转化领域受到高度关注。截至2019年，欧洲市场上有超过400种含AgNPs的产品。然而，经口暴露后AgNPs的体内命运，尤其是其穿越胃肠道屏障、进入体循环并迁移至器官组织的能力，仍缺乏深入了解。AgNPs在胃肠道中会经历聚集/解聚、氧化溶解、氯化、硫化及蛋白质冠形成等一系列非生物和生物转化，但体外模拟消化模型无法完全再现体内复杂的动态微环境。已有研究对银离子（Ag⁺）和AgNPs经口给药后在哺乳动物体内的吸收率估算分别为0.4%–18%和1%–5%，但颗粒态银是否能够穿越肠道屏障仍缺乏确凿证据。其主要挑战在于如何区分器官和组织中外源性颗粒态银与内源性或其他化学形态的银。

针对这一问题，该研究开发了一种基于金-银核壳结构纳米颗粒（Au@AgNPs）的间接示踪策略。其核心假设是：当颗粒态银在体内外发生氧化溶解时，银壳对等离子体金纳米星核的屏蔽效应减弱，从而可通过高光谱成像检测到特征性的光谱变化；同时，通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）获取元素信息，实现对器官中颗粒态银和离子态银的相对定量分析。

三、研究流程与方法

研究的第一阶段为纳米颗粒的合成与表征。研究团队合成了球形的Au@Ag核壳纳米颗粒、星形聚乙二醇化金纳米颗粒（AuNPs）和球形聚乙烯吡咯烷酮包覆的银纳米颗粒（AgNPs），三者具有相近的尺寸和表面包覆。高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析确认了Au@AgNPs的核壳结构。AgNPs和Au@AgNPs的平均粒径分别为65.7 ± 7.2和70.5 ± 10.5 nm，AuNPs的平均核径和分支长度分别为21.6 ± 4.2和22.7 ± 6.8 nm。UV-Vis光谱显示，Au@AgNPs的局域表面等离子体共振（LSPR）峰位于436 nm，与纯AgNPs相近，而星形AuNPs的峰在665 nm。ICP-MS分析确认Au@AgNPs的元素组成为33% Au和67% Ag。

第二阶段为体外氧化溶解验证。研究使用稀过氧化氢（H₂O₂）溶液作为强氧化剂处理Au@AgNPs。HRTEM显示银壳逐渐变薄直至消失，金核分支重新出现；UV-Vis光谱显示等离子体峰从436 nm红移至762 nm；高光谱成像在单颗粒水平上同步观测到散射光斑颜色从蓝色经绿色变为红色。研究还通过时域有限差分（FDTD）方法进行了三维理论模拟，模拟结果与实验测得的峰位移吻合良好。ICP-MS定量分析显示银金质量比（rm）从2.12降至0.19，证明氧化溶解策略的可行性。

第三阶段为人工消化液中的溶解测试。研究使用人工唾液（ASF，pH 6.8）、人工胃液（AGF，pH 1.5）和人工肠液（AIF，pH 6.8）分别处理纳米颗粒，采用原位高光谱成像和ICP-MS进行分析。结果表明，Au@AgNPs在AGF中发生显著的LSPR红移（约115 nm），rm值在6 h内下降至初始值的70%（即约30%的银壳溶解），而在ASF和AIF中变化不明显。利用离位高光谱成像方案，研究还发现AgNPs和Au@AgNPs在AGF中易于聚集。

第四阶段为体内胃肠道转化与肠道吸收追踪。实验使用BALB/c雄性小鼠，禁食24 h后通过灌胃给予AgNPs或Au@AgNPs（银剂量分别为1和1.6 mg/只），在给药后1、6和24 h采集血液及胃、小肠、肺、肝、脾、肾等器官。组织切片经苏木精-伊红（H&E）染色，并通过高光谱显微镜和LA-ICP-MS进行分析。结果显示，Au@AgNPs在胃腔中发生时间依赖的LSPR红移（1、6、24 h的中位λmax分别为508、604和647 nm），而在肠腔中λmax在24 h内保持在约640 nm，表明颗粒态银在胃中已大部分溶解（约84%），到达小肠后几乎不再溶解。此外，在肠绒毛的上皮细胞基底侧检测到了具有Au@AgNPs特征光谱的散射光斑，且LA-ICP-MS图像显示银和金在肠绒毛内共定位，证明颗粒态银确实能够穿越肠道屏障。

第五阶段为体内动力学与器官分布的定量分析。ICP-MS测定结果显示，AgNPs和Au@AgNPs经口给药后在血液和各器官中的银分布模式相近，小肠中银含量最高，其次为肝、肺、肾、血液和脾。利用Au@AgNPs的核壳结构特性，研究以金含量代表颗粒态银含量，结合公式（2）计算了各器官中颗粒态银的百分比（ppag）。在给药后6 h，肝脏中ppag仅为0.08%，脾脏和肾脏中分别为1.10%和0.64%，说明器官中的银主要以离子态存在，颗粒态银的清除速率远高于离子态银。

第六阶段为肠道屏障穿透机制研究。研究使用Caco-2细胞模型和Transwell系统。高光谱成像显示Caco-2细胞在暴露于AgNPs或Au@AgNPs后1 h即出现散射光斑，且细胞内Au@AgNPs的LSPR峰随时间红移，表明银壳在细胞内溶解。Transwell实验证实银和金均可随时间通过细胞单层，说明颗粒态银具有跨上皮转运能力。Western blotting分析发现AgNPs和Au@AgNPs均抑制了紧密连接蛋白occludin和claudin-1的表达，表明颗粒态银可通过破坏细胞间紧密连接增加旁细胞通透性。因此，跨细胞（transcellular）和旁细胞（paracellular）两种途径均参与了颗粒态银的跨上皮转运。

四、主要结果与逻辑关系

体外氧化溶解实验首先验证了Au@AgNPs作为探针的可行性，其LSPR峰位移与银壳溶解程度呈定量关系。人工消化液实验明确了胃是颗粒态银溶解的主要部位，这与体内胃腔中观察到的显著红移现象一致。体内实验中，肠腔内Au@AgNPs的λmax稳定在约640 nm，与体外经AGF预处理后的结果吻合，进一步确证了胃溶解的重要性。肠道绒毛内的散射光斑和LA-ICP-MS的银金共定位共同证明了颗粒态银的跨屏障吸收。器官分布的定量分析结果表明，尽管颗粒态银能够进入体循环并分布于多器官，但其在器官中的比例极低，且清除速度快于离子态银。最后，Caco-2细胞模型实验为体内观察到的肠道吸收现象提供了机制解释，跨细胞和旁细胞途径均参与了颗粒态银的转运。

五、研究结论与意义

该研究成功开发了一种利用Au@Ag核壳纳米颗粒示踪经口暴露后颗粒态银胃肠道命运的高效策略。研究首次提供了颗粒态银经口暴露后器官分布的定量信息，而非仅局限于总银量。研究发现颗粒态银在胃中发生部分溶解，到达小肠后基本不再溶解；颗粒态和离子态银均可穿越肠道屏障进入体循环并蓄积于器官，但颗粒态银的清除速率显著高于离子态银；跨细胞和旁细胞途径均为颗粒态银穿越肠上皮的可能机制。该策略可推广至任何感兴趣的纳米材料的口服生物利用度研究，对理解纳米制剂经口递送的体内命运具有重要的科学价值和应用前景。

六、研究亮点

本研究的创新之处在于：第一，利用各向异性星形金纳米颗粒的等离子体特性，构建了特异性更高的间接探针策略，有效避免了其他银形态的干扰；第二，实现了颗粒态银在单颗粒水平的胃肠道转化、肠道吸收和器官分布的实时可视化；第三，结合高光谱成像与LA-ICP-MS元素成像技术，在同一生物样本中同时获取光谱和元素信息，首次对器官中颗粒态银的百分比进行了定量估算；第四，揭示了颗粒态银和离子态银在器官分布和清除速率上的显著差异，为理解AgNPs的体内命运和毒性效应提供了新的视角。