環境化學物質對人類細胞毒性影響 造成基因突變 細胞壞死或細胞凋亡 細胞特性改變 器官功能受損 誘發癌症 個體老化 影響生殖 個體死亡 物種存滅

奈米科技應用與產值 奈米微粒一般指大小在1-100 nm的顆粒 奈米科技的運用極廣，包括：光電、半導體、醫療、化妝品等，奈米科技是個極具發展潛力的產業（Paull et al., 2003） Currently, estimates indicate that there are over 800 consumer products already available containing nanomaterials. the sales were valued at $147 billion(1兆4千億) in 2007 and are expected to soar over the coming years with a predicted value of $3.1 trillion (3兆) by 2015. Adapted from the Woodrow Wilson Database in Jan 2009 (http://www.nanotechproject.org).

奈米分子(TiO2 SiO2) 應用於奈米科技產業 半導體製造業是集合物理、電子、電機、光學、化學、機械、材料及管理科學的高科技工業。 為電子工業的上游技術產業，電子業產品之競爭力強弱，受半導體技術的發展影響頗大。 隨著電子資訊工業的蓬勃發展．使得該產業成長更加快速，對我國經濟發展有很大的貢獻，並且受到政府工業主管單位相當的重視。

奈米顆粒進入生物體內代謝累積途徑 Germ cells

不同奈米種類影響細胞DNA結構相關文獻 Meterial Characteristics/Preparation Results Reference Diesel exhaust particles <130nm in diameter Alkaline Comet Assay positive Dybdahl et al. 2004 Urban air particles Average diameters 12, 23, 57 and 212 nm Akaline comet assay positive Brauner et al. 2007 Vehicle exhaust Particles of 10–100 nm Increase of FPG-sensitive sites, but no effect on DNA strand breaks in absence of FPG Vinzents et al. 2005 Wildfire smoke 42–240 nm particle fraction DNA was cut into randomly sized pieces Leonard et al. 2007 Carbon Black Diameter 15 nm, surface 230 m2/g HPRT mutation positive Driscoll et al. 1997 Diameter 14 nm, surface 295 m2/g Jacobsen et al. 2007 14 nm in diameter Comet positive Moz et al. 2008 Gold nanoparticles Size 1–12 nm, 87% below 5 nm Single and double strand breaks of DNA from irradiation Zhang et al. 2008 Magnetic nanoparticles 8.5 nm in diameter Micronuclei were increased in polychromatic erythrocytes Sadeghiani et al. 2005 Multi-Walled Carbon Nanotubes Not described Aprt mutation positive Zhu et al. 2007 Average outer diameter 11.3 nm, length 700 nm Ex vivo increase in micronucleated pneumocytes Muller et al. 2008 Single-walled Carbon Nanotubes Diameter 0.4–1.2 nm, surface 1040 m2/g Kisin et al. 2007 Single-walled Carbon Nanotubes (SWCNT) Mitochondrial DNA damage was observed Li et al. 2007 Ni, Co and TiO2 Nickel powder mean diameter 20 nm, surface 43.8 m2/g Supercoiled DNA was depleted by TiO2<<Co ~ Ni Zhang et al. 1998 TiO2 Diameter 10 and 20 nm Gurr et al. 2005 Particles <20 nm Revealed typical apoptotic structures Rahman et al. 2002 TiO2 and ZnO from sunscreens 20–50 nm in diameter Alkaline Comet Assay positive after irradiation Dunford et al. 1997 TiO2 P25 Anatase form, average size 21 nm Nakagawa et al. 1997 5 Landsiedel, R., et al., Genotoxicity investigations on nanomaterials: methods, preparation and characterization of test material, potential artifacts and limitations--many questions, some answers. Mutat Res, 2009. 681(2-3): p. 241-58.

Indirect mechanisms that can lead to genotoxicity Oxidative stress DNA damage Epigenetic event, Apoptosis, Cancer Inflammation N. Singh et al. / Biomaterials 30 (2009) 3891–3914 Nanomaterials may result in oxidative stress or inflammatory responses that in turn have the potential to damage DNA and alter transcriptional patterns.

奈米分子致癌機制 Knaapen, A.M., et al., Inhaled particles and lung cancer. Part A: Mechanisms. Int J Cancer, 2004. 109(6): p. 799-809. 7

？ 環境化學物質對人類細胞毒性影響 造成基因突變 細胞壞死或細胞凋亡 細胞特性改變 器官功能受損 誘發癌症 個體老化 影響生殖 個體死亡 物種存滅

環境中奈米微粒之細胞毒性研究」規劃 奈米顆粒細胞毒性篩檢平台建立 奈米顆粒致癌性分析 奈米顆粒毒性測試實驗動物模式建立 奈米顆粒對生殖系統影響 奈米顆粒對幹細胞影響

奈米顆粒細胞毒性篩檢平台建立 金屬奈米顆粒大部分不可溶。 過濾易殘留於過濾器(高濃度-實驗低濃度) 。 未過濾易污染，不易進行長時間影響細胞研究(細胞轉型癌化) 。 混合於液體中，高濃度易凝集，低濃度易懸浮。 造成實驗數據與結果可信度低。

TiO2 SiO2 TiO2 SiO2 過濾後 過濾後

電噴霧氣膠產生器 12

奈米微粒的收集與分析 以電噴霧系統收集奈米微粒。 使用微分式電移動度分析儀 (Differential Mobility Analyzer, DMA, WSP-1000XP ) 量測奈米級微粒的粒徑分佈。 13 13

奈米顆粒細胞毒性篩檢平台建立 無菌電灑電漿細胞暴露模式建立 優點: 奈米顆粒直接接觸細胞 奈米顆粒濃度準確 無菌可操作長時間細胞研究 適用各種奈米顆粒細胞毒性快速研究檢測

奈米顆粒致癌性分析 癌症為十大死因之首 台灣95年癌症發生人數約7萬多人(7分鐘) 呼吸道相關癌症逐年增加(環境污染源種類與數目年年倍增) 至今癌症仍無有效治療方式

奈米分子致癌機制 Knaapen, A.M., et al., Inhaled particles and lung cancer. Part A: Mechanisms. Int J Cancer, 2004. 109(6): p. 799-809. 16

奈米顆粒致癌性分析 研究顯示特定大小奈米顆粒會促進細胞增生。 動物實驗證實(注射)奈米顆粒會造成細胞轉性癌化現象。 目前有關奈米顆粒促進體外細胞增生轉型癌化研究非常少，而且機制也不清楚。 利用無菌電灑電漿系統，可大量、準確且長時間分析各種奈米顆粒對細胞毒性分析。

Hansen, T., et al., Biological tolerance of different materials in bulk and nanoparticulate form in a rat model: sarcoma development by nanoparticles. J R Soc Interface, 2006. 3(11): p. 767-75. 18

(Annexin V、TUNEL assay) 奈米顆粒致癌性分析 細胞存活率試驗 (MTT assay) 細胞增生 細胞死亡 細胞特性改變分析 細胞凋亡試驗 (Annexin V、TUNEL assay) 細胞凋亡基因表現分析 (real time PCR) Wounds Hearling分析 抑癌基因表現分析 Anchorage-Independent 細胞凋亡路徑分析 裸鼠致腫瘤分析

奈米顆粒毒性測試實驗動物模式建立 奈米顆粒對人類細胞毒性影響 造成基因突變 細胞壞死或細胞凋亡 細胞特性改變 器官功能受損 誘發癌症 個體老化 影響生殖 個體死亡 個體死亡 物種存滅

斑馬魚是一種小型亞熱帶淡水魚。 基因序列約86%與人類相似。 廣泛用於研究脊椎動物的胚胎發育，甚至推廣至疾病研究、藥物篩選、及毒物測試。 目前正嘗試建立斑馬魚作為人類疾病模型。

斑馬魚實驗動物優點: 它是脊椎動物，且具有近似人類的各種器官系統，例如：心臟血管系統、消化系統、神經系統。 適合用來研究脊椎動物的胚胎及器官發育。 它是體外受精的動物，且早期胚胎是透明的，利於觀察發育過程中完整型態的變化。 斑馬魚的養殖設備比老鼠簡單，且花費也低。 斑馬魚成熟快，且繁殖力強，受精卵在 3、4 個月即可成熟繁殖下一代，且可於每 1、2 週內交配，產出 100 至 300 個卵，利於遺傳學之研究。 斑馬魚可以很容易進行誘發突變及基因轉殖，利於研究基因功能。

斑馬魚暴露奈米顆粒環境(不同於注射) LD50劑量分析 無立即致死性濃度 進入魚體途經分析與累積器官分析 累積器官分布與劑量分析 精子與卵子生成數量與受精卵孵化率分析 子代畸變率分析及基因研究 子代成長交配 (RECYCLE)