A life Scientific Subject of Semiconductor TiO2 Photocatalysis-Desruction of Cancer Cells, Bacteria and Viruses by Using TiO2 Particles Yang Xiumei and Li Guozheng# (Department of Biochemistry, #Department of Chemistry, Shandong University, Jinan 250100) Abstract We introduced the research outline on the destruction of cancer cells, bacteria and viruses by using TiO2 particles photocatalysis and discussed the experimental methods and estimated its possible utilization. Key words TiO2 photocatalysis, destruction, cancer cells, bacteria, viruses 摘要 本文介绍了半导体TiO2光催化杀灭癌细胞,细菌和病毒的研究概况，研究方法和手段,浅析了应用价值以及发展前景。 关键词 TiO2 光催化 杀灭作用 癌细胞 病毒 半导体TiO2光催化的生命科学课题 ——半导体TiO2光催化杀灭癌细胞，细菌和病毒的研究概况 * 杨秀梅 李国铮# (山东大学 生命科学学院 #化学学院 济南 250100) 1 研究背景 进入90年代，肿瘤的光治疗(photodynamic therapy PDT)作为一种新技术，已发展到临床实验阶段。血朴啉(HPD)被用作首选光敏剂。大量的实验表明，肿瘤组织能够延长其贮存和滞留的时间，静脉注射24-48 h 后，人们发现，HPD移至肿瘤部位，而不是在其周围组织中；在红光照射下，对应于HPD的吸收带(600 nm)的照射光容易被HPD所吸收，引起激发，并诱导了该处肿瘤的死亡，相反，周围组织和细胞的正常成分基本上不吸收光。PDT 大大降低了光损害正常组织细胞的风险，所以比放射治疗和化疗有较强竞争力。随着激光技术的发展，已较成功地将特殊激光源和内诊镜，分别用于表面肿瘤和口腔，直肠和妇科肿瘤的治疗。光治疗的机理是染料光敏剂的三线态可直接地与癌肿瘤有关的生物物质进行反应,或将电子激发能转移到氧而形成单线态, 然后单线态氧与之反应就可破坏这种生物物质.癌细胞的膜被破坏或者是细胞中所需要的还原型三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)的氧化-还原剂,诸如,还原型谷胱甘肽(glutathione),尼克酰胺辅酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate),辅酶A( CoA)及黄素腺嘌呤二核苷酸(flavine adeninedinucleotide, FAD) 等被耗尽时, 癌细胞就随之死亡。 既然用PDT方法杀死肿瘤细胞，是靠光敏剂吸光活化，形成单线态氧的氧化力，与此同时蓬勃发展的半导体光催化在各个领域的应用，也是利用TiO2光激活产生的活性氧品种的强氧化能力，因而靠活性氧杀灭癌细胞细菌和病毒探索即随之而来。 2 国外状况 国外的这类研究基本上开始于80年代后期，以下分成研究的课题和方法，加以说明。 2.1 半导体颗粒作为光敏剂杀灭癌细胞 TiO2光激活可生成一些活性氧品种：
| TiO2 + hν(>3eV) = h+ + e- | (1)
| H2O + h+ = OH .+ H+ | (2)
在水存在下，下列反应也可发生：
| H+ + e- = H . | (3)
| O2 + e- = O2-. | (4)
| O2-. + H .= HO2- | (5)
| 2HO2- = O2 + H2O2 | (6)
其中OH.和O2-.以及过氧化氢,它们都有能力攻击癌细胞，氧化和破坏癌细胞,终至其死亡。TiO2光激活生成的游离基的紫外光吸收光谱，如图1。该图是由奥地利维也纳大学辐射和理论化学研究所测得和提供的。藤岛昭[1-5]是半导体光催化杀灭癌细胞研究的最早开拓者, 研究简况见表1。
图1 水介质中活性氧的瞬态光谱
已经证实, TiO2颗粒可以进入癌细胞内, 其本身对癌细胞并无毒性, 但有很大的光敏作用杀死该细胞;添加过氧化歧化酶可进一步提高杀灭作用。后者能将过氧化游离基转化为过氧化氢。总的说来, 与光治疗相比较, TiO2的杀灭作用是有限的, 因为紫外光只能穿透皮肤 1mm 左右,但是与纤维光学和外科手术相结合,采用TiO2光敏体系来处理癌肿瘤仍不失为一种有效的方法。
表1 TiO2 颗粒光敏剂对癌细胞的光破坏
研究方式 | 细胞 | 实验要点 | 年代和文献
In vitro | HeLa 细胞（50μm） | 光源：500瓦高压汞灯 300－400 nm) 照射时间： 10 min TiO2 量 mg/ml 0 12 120 HeLa残存率 ％ 97 25 0 电镜结果: 细胞膜和细胞质中有TiO2 | 1991[1]
In vitro | T24 细胞 (人体膀胱癌系) | 微电极置于离细胞距离在10μm内, 紫外光照 结果: 有选择性杀灭作用 | 1995[2]
In vitro | Hela 细胞 | 超氧歧化酶和添加EDTA-Fe可增加杀灭力 | 1992[3]
In vitro | Hela 细胞 | L-色氨酸 和催化酶，能阻止TiO2的作用 | 1992[4]
In vitro | T24 细胞 | 细胞死亡前,磷脂膜过氧化细胞膜的渗透性增加,TiO2光催化不是细胞死亡的唯一原因 | 1995[5]
2.2 半导体颗粒作为光敏剂杀灭细菌和病毒 现有多种消灭细菌和病毒的技术,例如,加热法,紫外光照射, 抗生素法和化学氧化法等。水消毒最常用的化学氧化剂是氯气。尽管对一些细菌和多数病毒都有效， 但是生成了诸如三卤甲烷等副产物和其他致癌物质。目前, 在较高质量水处理中已限制氯气 作为消毒剂使用, 而采用新的消毒方法。如用ClO2, 臭氧,紫外光照射,及发展超级过滤工艺。最早开展半导体光催化消毒研究的是日本学者Matsunaga等[6]。TiO2 可光敏杀灭的细菌有: 乳杆嗜酸细胞(Lactobacillus acidophilus), 酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)，大肠杆菌(革兰氏阳性)(Escherichia cole), 绿藻(green algae), 链球菌 (Streptococcus mutans, Stretococcus ratus, Streptococcus cricetus, Streptococcus sobrinus AHT), 以及噬菌体MS2(Phage MS2) 和脊髓灰质炎病毒(Poliovirus 1)等。杀灭作用一般与细胞内辅酶A的降低相关联。初步表明, 细胞内辅酶A会被TiO2的光敏作用所氧化,继而阻止细胞的呼吸,造成细胞死亡，详见表2。
表2 TiO2 颗粒光敏剂对细菌和病毒的杀灭
研究方法 | 细菌/病毒 | 实 验 主 要 结 果 | 年代和文献
对细菌的杀灭 |  |  |
Pt/TiO2 | 酵母菌 | 体内辅酶A被氧化，阻断细胞呼吸，强杀灭 | 1985[6]
流动体系/TiO2 | 绿藻及链球菌 | 绿藻的多糖细胞壁较厚，弱杀灭效果 | 1988[7]
流动体系/TiO2 | 链球菌 sobrinus ATH | 固定在乙酰纤维素酶上构成的TiO2膜, 运行7天 光敏杀灭中，K+快速渗出，蛋白和DNA缓慢放出，pH降低，但不是致死的唯一原因 | 1992[8]
TiO2 | 大肠杆菌 | 动力学研究：速率与[O2]1/2和光强成正比 扩散发光纤维比通常光纤维更有效 | 1994[9] 1995[10]
光杀灭病毒 |  |  |
TiO2 | 噬菌体MS2 | FeSO4(2×10-6mol dm-3)促进光杀灭作用 | 1994[11]
TiO2 | 脊髓灰质炎病毒 | 病毒成分蛋白衣壳和核酸易被光生OH。攻击Fe(II)通过Fenton过程提高了OH。 稳定浓度，照射30min完全被光敏杀死，同样条件下大肠杆菌杀死则需150 min | 1995[12]
TiO2涂敷陶瓷瓦, 最先在日TOTO公司制成,用于医用消毒非常方便，值得仿效.Mills等[13] 在最近评论中也特别称道。 2.3 研究方法和手段 主要研究方法: 对悬浮TiO2缓冲液中的菌类作紫外线照射下存活率S（surviving fraction）的测定。对某些菌来说
| S = nt/no = e-kt | (7)
式中no 为未经照射样品的菌落平均值，nt为照射时间t样品的菌落平均值，k为杀菌速度常数。但很多情况下，存活曲线log S-t 关系是非线性的，其测定步骤见图2。 新颖的研究手段：采用紫外线照射下TiO2微电极的电化学研究技术，可以获得菌被氧化的伏安行为，是饶有兴趣的;对癌细胞HeLa(1）和T24(2)的报导，值得效仿。另一较先进的技术是扩散发射光纤维技术(10)(diffuse-light emitting optical fibers)有较高的助杀作用,它的应用使光束在表面上的分布得以改善,有利于研制高效杀菌器件。
图2 大肠杆菌存活率测定的手续
3 国内状况 1997年南京大学已有论文在国外刊物报道。可喜地是在98’全国光催化学术会议(大连）上，我国出现了首批光催化杀菌灭癌的研究结果，引起与会学者的兴趣。山东大学生命科学学院杨秀梅[14]等，在磷酸缓冲体系和自制100 nm TiO2级颗粒的悬浮液中，用紫外光照射，可有效杀死大肠杆菌，并探讨了8-Methoxypsorelene(8-MOP)的光敏助杀作用，如图3所示。福州大学化学系刘平等[15]用sol-gel技术制成TiO2基灭菌膜，率先开始应用研究。膜材料的灭菌率与TiO2中的锐钛矿含量有关，热处理温度与锐钛矿含量和灭菌率有关，其杀菌能力如图4所示。他们还提出了细菌死亡的可能原因是活性氧使细菌中蛋白变异和脂类分解。武汉总医院和武汉大学化学学院王浩等[16]研究结果是浓度100-300μg/ml 在高压汞灯照射(1.64 Wcm-1, 30-60 min)下，癌细胞的抑制率达57.4－73.1%。
图3 8-MOP对TiO2光敏作用的影响
图4 灭菌率与时间的关系
4 展望 国外从1988年至1995年期间是该课题研究的高峰期，1996年以来，数量有所减少。国内由于抗洪救灾水处理和医用消毒的需求，同时随着水资源保护的发展，有效杀死水中强抵抗力的病原生动物等更具挑战性，这项研究已引起一些领导和光催化材料生产部门的重视，研究和开发正在逐步兴起。 某些单位获得了相当的资助，用于开展此项研究即为一例，说明科研决策部门已相当关注，但资金总投入还处于低位。估计在未来几年内，国内外在光催化和环保应用研究方面还将进一步深入和推广，可望生产出一些有效的光催化医用灭菌材料和器件，实验研究手段将更加丰富和有力；并预期通过活性氧的氧化作用导致癌细胞，细菌和病毒死亡的详细机理的研究将有较大突破。 5 参考文献 [1] Cai R, Hashimoto K, Itoh K, et al. Photokilling of malignant cells with ultrafine TiO2 powder, Bull.Chem. Soc. Jpn. 1991,64: 1268-1273 [2] R Sakai, Baba R,.Hashimoto K, Kubota Y and Fujishima A. Selective killing of a single cancerous T24 cell with TiO2 semiconducting microelectrode under irradiation, Chem. Lett.1995, 1850-186 [3] Cai R, Hashimoto K,Kubota Y and Fujishima A. Inrement of photocatalytic killing of cancer cells using TiO2 with the aid of superoxide dismutase, ibid 1992, 427-430 [4] Cai R, Kubota Y, Shuin T, Sakai H, Hashimoto K and Fujishima A. Induction of cytotoxicity by photoexited titanium dioxide particles, Cancer Res. 1992,52: 2346-2348 [5] Sakai H, .Ito E, Cai R, et al. Intracellular Ca2+ concentration change of T24 cell under irradiation in the presence of TiO2ultrafine particles,Biochim.Biophys. Acta 1995,1201:259-65 [6] Matsunaga T, Tomoda R, Nakajima T, and Wake H. Photoelectrochemical sterilization of microbial cells by semiconductor powders,FEMS Microbiol Lett. 1985,29: 211-214 [7] Matsunaga T, Tomoda R, Nakajima T, et al. Continuous-sterilization system that uses hotosemiconductor powders, Appl. Environ. Microbiol. 1988, 45:1330-1333 [8] Saito T, Iwase T, Horie J, and Morioka T. Mode of photocatalytic bactericidal action of powdered semiconductor titanium dioxide on mutans streptococci, J. Photochem. Photobiol. B:Biol. 1992, 14: 396-400 [9] Wei C, Lin W Y, Rajeshwar K, et al. Bactericidal activity of TiO2 photocatalyst in aqueous media: toward a solar-assisted water disinfection system, Environ Sci. Technol. 1994, 28: 934-938 [10] Matsunaga T, and Okochi M. TiO2-mediated photochemical disinfection of Escherichia coli using optical fibers, Environ. Sci. Technol. 1995, 29: 501-505 [11] Sjogren J C and Sierka R A. Inactivation of phage MS2 by iron-aides titanium dioxide photocatalysis, Appl. Environ. Microbiol. 1994,60: 344-347 [12] Watts R J, Kong S, Orr M P, et al. Photocatalytic inactivation of coliform bacteria and viruses solution with a magnetic chitosan based sorbent tearing copper phthalocyanine dye, Water Res. 1995, 29: 95-100 [13] Mills A, and Hunte S L. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., A overview of semiconductor photocatalysis, 1997, 108: 1-35 [14] 杨秀梅,李国铮,.n-TiO2在大肠杆菌紫外光照射杀灭中的光敏催化 98’全国光催化学术会议论文摘集, 中国科学院大连化学物理研究所, 1998, 100-101 [15] 刘平,付贤智,林华香,孟春,掺杂TiO2光催化膜材料的制备及其灭菌机理研究. 98’全国光催化学术会议论文摘要集,中国科学院大连化学物理研究所, 1998, 98-99 [16] 王浩,赵文宽,方佑齢, 二氧化鈦光催化杀肿瘤细胞的研究,98’全国光催化学术会议论文摘要集, 中国科学院大连化学物理研究所, 1998, 110 杨秀梅 女，58岁，副教授，从事生物化学教学和科研工作。 李国铮 山东师范大学半导体研究所客座教授。国家自然科学基金资助的课题(69890221) 98-12-30收稿，99-06-15修回