功能化量子點(diǎn)生物毒性效應(yīng)研究進(jìn)展

1、功能化量子點(diǎn)生物毒性效應(yīng)研究進(jìn)展林曉潭(綜述)/許改霞/王曉梅(審校)(深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)【摘要】 量子點(diǎn)因其具有良好的光學(xué)特性以及其表面功能化包覆材料的可修飾性，目前成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最具有應(yīng)用前景的熒光標(biāo)記物，由于功能化量子點(diǎn)的核心成分及其表面包覆材料均存在不同程度生物毒性，成為量子點(diǎn)在生物體內(nèi)應(yīng)用中的一個(gè)瓶頸問題。本文對(duì)功能化量子點(diǎn)的體內(nèi)、體外毒理學(xué)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。【關(guān)鍵詞】 量子點(diǎn)；納米顆粒；毒性效應(yīng)；生物相容性中圖分類號(hào)： R446.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1004616X(2010)03023305量子點(diǎn)(quantum dots

2、，QDs)亦稱作半導(dǎo)體納米晶，是指直徑在210 nm的半導(dǎo)體納米熒光顆粒。與傳統(tǒng)有機(jī)染料和熒光蛋白相比，量子點(diǎn)具有獨(dú)特的光學(xué)特性，其光學(xué)穩(wěn)定性更好，不易被光漂白，具有連續(xù)可調(diào)的發(fā)射光譜，且熒光更強(qiáng)、更特異，可用于不同生物分子的多色標(biāo)記，亦可實(shí)現(xiàn)單分子示蹤。自從1998年 Bruchenz與Chan12首次報(bào)道了量子點(diǎn)的水溶性與生物相容性問題后，量子點(diǎn)作為一種新興的納米熒光示蹤劑，為疾病診斷、治療與實(shí)時(shí)監(jiān)控提供嶄新手段，在生物醫(yī)藥研究領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，因此，面對(duì)不斷涌現(xiàn)的功能化量子點(diǎn)，綜合性評(píng)價(jià)其生物安全性，成為這些新的量子點(diǎn)能否應(yīng)用臨床的一個(gè)熱點(diǎn)問題。1量子點(diǎn)的生物功能化及應(yīng)用量子點(diǎn)是由IIV

3、I 或 IIIV元素組成的納米級(jí)半導(dǎo)體晶體顆粒，功能性量子點(diǎn)是在半導(dǎo)體晶體核心表面包覆功能殼，這層表面修飾材料起到保護(hù)和穩(wěn)定量子點(diǎn)核心，并賦予量子點(diǎn)生物活性的作用。由IIIV元素組成核心的量子點(diǎn)有磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)等；由IIVI元素組成核心的量子點(diǎn)有硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、硒化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)等。最近也有報(bào)道不含重金屬元素的量子點(diǎn)34。新型合成的雜合量子也有報(bào)道5，如CdTe/CdSe，CdSe/ZnTe，PbSe等。目前以CdSe、CdTe量子點(diǎn)最為常用。新合成的量子點(diǎn)只有裸露的晶體顆粒，不溶于水，沒有生物學(xué)應(yīng)用價(jià)值。因此，

4、要用親水性的材料對(duì)其包覆修飾，賦予水溶性性質(zhì)和生物活性才有應(yīng)用價(jià)值。經(jīng)過包覆的量子點(diǎn)核心組份的穩(wěn)定性增強(qiáng)，水溶性也增強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的生物靶向性，需要在其表面化學(xué)修飾的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)偶聯(lián)、靜電作用、免疫反應(yīng)、鏈親和素與生物素結(jié)合等方法將靶向生物分子(如核酸、蛋白和具有特定生物功能的小分子等)連接到量子點(diǎn)表面，使其具有功能化活性，以實(shí)現(xiàn)抗原_抗體、受體_配體、DNA互補(bǔ)序列、核酸識(shí)體_靶、酶_底物等特異性識(shí)別。同時(shí)，可以根據(jù)量子點(diǎn)與外界環(huán)境的相互作用情況考慮其穩(wěn)定性和耐受能力，進(jìn)一步設(shè)計(jì)出聯(lián)接適合某種特定生物應(yīng)用的特種功能化量子點(diǎn)。例如，用聚乙二醇(PEG)基團(tuán)包覆可以賦予量子點(diǎn)的生物相容性，

5、并使之具有能與細(xì)胞器相互作用的能力，同時(shí)又具有熒光標(biāo)記的作用；而在巰基乙酸包覆的基礎(chǔ)上偶聯(lián)免疫球蛋白可以賦予量子點(diǎn)的靶向功能。這種聯(lián)接通常是通過靜電吸附、螯合或形成共價(jià)鍵實(shí)現(xiàn)的。此外，可利用量子點(diǎn)發(fā)射光譜隨尺寸變化的特點(diǎn)，采用不同粒徑大小的量子點(diǎn)(發(fā)射不同顏色熒光)進(jìn)行多色分類標(biāo)記。由于QDs的吸收譜較寬而發(fā)射譜很窄，與不同生物分子共軛后，可實(shí)現(xiàn)多分子成像?？刂坪昧孔狱c(diǎn)的合成條件，可以得到各種用途的量子點(diǎn)，并應(yīng)用在細(xì)胞定位標(biāo)記、活體醫(yī)學(xué)成像、基因測序和基因芯片中核酸標(biāo)記、早期腫瘤診斷與治療以及載體藥物研發(fā)等諸多領(lǐng)域15。2功能化量子點(diǎn)的體外毒性效應(yīng)隨著制備功能化量子點(diǎn)技術(shù)不斷提高，兼具靶向性、

6、示蹤性、診斷與治療性的多功能納米顆粒不斷涌現(xiàn)，開展功能化量子點(diǎn)的共性與個(gè)性化毒理學(xué)評(píng)價(jià)已成為必需。由于各種功能化量子點(diǎn)的種類繁多、合成工藝各異，而對(duì)其毒理評(píng)價(jià)存在很大差異，因此各實(shí)驗(yàn)的毒理學(xué)研究結(jié)果之間缺少可比性。但已有的研究結(jié)果均表明，功能化量子點(diǎn)的毒性主要由本身的理化性質(zhì)和所處外部環(huán)境條件決定。2.1功能化量子點(diǎn)的核心組分及其粒徑大小與細(xì)胞毒性量子點(diǎn)的核心成分具有潛在的細(xì)胞毒性，同時(shí)量子點(diǎn)的納米級(jí)粒徑?jīng)Q定了它巨大的比表面積，因此可產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用。這種吸附作用導(dǎo)致量子點(diǎn)容易在細(xì)胞內(nèi)不斷累積并長期滯留，引起細(xì)胞毒效應(yīng)。Li等采用CdS量子點(diǎn)納米顆粒和CdS微米顆粒驗(yàn)證量子點(diǎn)核心組分及粒徑引

7、起的細(xì)胞毒性6。他們用MTT法測定CHL細(xì)胞活力，結(jié)果表明，當(dāng)CdS納米顆粒和CdS微米顆粒兩組濃度小于20 g/ml 時(shí)，CdS納米顆粒比CdS微米顆粒具有更強(qiáng)的細(xì)胞毒性。但兩組的濃度大于40 g/ml時(shí)，它們之間的毒性就不存在顯著差異。在濃度低于40 g/ml，CdS微米顆粒不會(huì)引起活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)增多，而CdS量子點(diǎn)會(huì)使細(xì)胞內(nèi)的ROS提高2030。CdS量子點(diǎn)與細(xì)胞孵化24 h后，有20的Cd2從CdS 量子點(diǎn)晶格中釋放出來，并與胞內(nèi)由CdS量子點(diǎn)粒徑引起產(chǎn)生的過量ROS一起耗盡還原型谷胱甘肽，從而引起細(xì)胞毒性7。量子點(diǎn)在水中容易聚集，

8、引起聚集的原因是水溶液中存在二價(jià)離子。Koeneman等發(fā)現(xiàn)在二價(jià)離子的存在下，10 min內(nèi)量子點(diǎn)可從15 nm聚集成500 nm， 隨后可進(jìn)一步形成800 nm的聚合物8。結(jié)果與Zhang等描述的一致41。如果用不含CaMg2的PBS處理量子點(diǎn)，其分散狀態(tài)可以維持2 h以上而不出現(xiàn)聚集。因此，Koeneman等將CdTe_HS_CH2_COONa量子點(diǎn)溶解在無Ca2和Mg2的PBS中保持量子點(diǎn)均勻分散狀態(tài)，進(jìn)一步處理Caco_2細(xì)胞時(shí)，其0.1 g/ml的濃度即可引起細(xì)胞接觸生長受抑并導(dǎo)致細(xì)胞死亡。但用TEER檢測聚集的量子點(diǎn)對(duì)細(xì)胞的影響時(shí)，并未發(fā)現(xiàn)這類細(xì)胞出現(xiàn)毒性效應(yīng)。因此這種細(xì)胞毒性是

9、由量子點(diǎn)本身的納米級(jí)粒徑引起的，而不是Cd2從晶格中流出或包覆材料巰基乙酸鈉引起的。Lovric等研究表明，CdTe量子點(diǎn)在細(xì)胞中的分布與顆粒大小有關(guān)，粒徑較大的量子點(diǎn)(2r=5.2±0.1 nm)主要集中在細(xì)胞的胞漿，而粒徑較小的量子點(diǎn)(2r=2.2±0.1 nm)則分布在細(xì)胞核區(qū)域9。因此，粒徑越小，引發(fā)細(xì)胞毒性可能也越大。2.2功能化量子點(diǎn)的包覆材料對(duì)細(xì)胞毒性的影響Law等用13156 g /ml的CdTe量子點(diǎn)和CdTe/ZnTe 量子點(diǎn)與Panc_1細(xì)胞孵化24 h后，發(fā)現(xiàn)沒有經(jīng)過表面修飾的各實(shí)驗(yàn)濃度CdTe 量子點(diǎn)均比用ZnTe 修飾后的CdTe/ZnTe 量子

10、點(diǎn)的細(xì)胞毒性強(qiáng)。細(xì)胞活力從60下降到20，且隨量子點(diǎn)的濃度增大而進(jìn)一步降低7。Hsieh等用卵母細(xì)胞體外成熟(in vitro maturation，IVM)檢測CdSe量子點(diǎn)和CdSe/ZnS量子點(diǎn)的生殖毒性，也證明經(jīng)過ZnS修飾后量子點(diǎn)的毒性大大降低10。這些實(shí)驗(yàn)都表明用ZnS 或ZnTe 包覆CdSe 或CdTe 核心后，量子點(diǎn)核心的毒性顯著降低。晶體核心外表面的包覆材料可以穩(wěn)定晶格核心，避免金屬離子的流失，從而起到降低量子點(diǎn)核心成分所引起的毒性效應(yīng)。Deka等將CdSe量子點(diǎn)核心用CdS、ZnS和PEG包覆，做成CdSe(dot)/ZnS_PEG 量子點(diǎn)、CdSe(dot)/CdS(r

11、od)_PEG納米棒和CdSe(dot)/CdS(rod)/ZnS_PEG納米棒，然后分別在5、50和500 mol/L 三種濃度下與HeLa細(xì)胞孵化24 h11。MTT細(xì)胞活力測定結(jié)果表明，CdSe(dot)/CdS(rod)/ZnS_PEG納米棒的毒性低于CdSe(dot)/CdS(rod)_PEG納米棒，而后者的毒性低于CdSe(dot)/ZnS_PEG 量子點(diǎn)。這說明量子點(diǎn)的核心經(jīng)過單層包覆后核心晶格更穩(wěn)定,潛在的細(xì)胞毒性就更低。而經(jīng)過雙層不同材料包覆的量子點(diǎn)穩(wěn)定性更高、安全性也更高。但是多層包覆會(huì)使量子點(diǎn)的三維直徑增大而不利于量子點(diǎn)穿透血管進(jìn)入靶組織或經(jīng)過腎臟清除出體外12。量子點(diǎn)的

12、毒性效應(yīng)也可能是由外層的水溶性包覆材料引起的。Hoshino等研究5種包覆材料(MUA, cysteamine, thioglycerol, TOPO and ZnS)對(duì)WTK1細(xì)胞的細(xì)胞毒性效應(yīng)13。這些材料與細(xì)胞孵化12 h后，MUA(11_Mercaptoundecanoic acid)在劑量大于100 g/ml 時(shí)出現(xiàn)細(xì)胞毒性并導(dǎo)致DNA損傷，Cysteamine的毒性很弱，而thioglycerol幾乎沒有毒性。TPOP 和ZnS 都具有明顯的細(xì)胞毒性。Clift等用40 nmol/ml的CdTe/CdSe/ZnS量子點(diǎn)，外層分別包覆聚苯乙烯微珠、PEG_COOH，PEG_NH2，處

13、理J774.A1細(xì)胞后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聯(lián)接聚苯乙烯微珠的兩種不同粒徑的量子點(diǎn)都能快速進(jìn)入J774.A1細(xì)胞，而聯(lián)接PEG_COOH的量子點(diǎn)也能被細(xì)胞吞噬，但聯(lián)接PEG_NH2的量子點(diǎn)在激光共聚焦顯微鏡下未觀察到進(jìn)入細(xì)胞的跡象14。聯(lián)接聚苯乙烯微珠的量子點(diǎn)使細(xì)胞的活力大大降低，而其它兩組并未發(fā)現(xiàn)這種毒性效應(yīng)。這說明量子點(diǎn)的表面包覆材料決定了量子點(diǎn)是否被細(xì)胞攝取，并在攝取后，參與引起細(xì)胞毒性?？梢?，包覆材料的類型將影響量子點(diǎn)的毒性效應(yīng)。2.3外環(huán)境影響量子點(diǎn)穩(wěn)定性從而呈現(xiàn)不同毒性效應(yīng)功能化量子點(diǎn)的毒性除了與表面修飾材料直接相關(guān)外，外環(huán)境對(duì)量子點(diǎn)的整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有較大的影響。由于量子點(diǎn)通過吞噬作用進(jìn)入

14、細(xì)胞，吞飲小泡會(huì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)的溶酶體。溶酶體的酸性環(huán)境及含有多種水解酶類可能會(huì)對(duì)量子點(diǎn)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。例如，Wang等的實(shí)驗(yàn)表明酸性環(huán)境可以使量子點(diǎn)表現(xiàn)出更強(qiáng)的毒性，因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)的酸性環(huán)境和酶類可能很容易將量子點(diǎn)表面的包覆分子和基團(tuán)降解，從而引發(fā)潛在的毒性效應(yīng)15。可見，功能量子點(diǎn)具有潛在的細(xì)胞毒性與其自身核心組分、粒徑、表面包覆材料理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素密切相關(guān)。不同材料的表面包覆修飾對(duì)功能量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性影響很大。因此，對(duì)具有特定功能的量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性需要進(jìn)行專門的綜合評(píng)價(jià)。3功能化量子點(diǎn)的體內(nèi)毒性效應(yīng)用于在體診斷治療的功能化量子點(diǎn)的毒性效應(yīng)評(píng)價(jià)，一方面考慮功能性量子點(diǎn)核心成分、顆粒粒

15、徑大小、包覆材料的性質(zhì)、量子點(diǎn)整體的穩(wěn)定性等因素，另一方面還應(yīng)結(jié)合給藥途徑進(jìn)行評(píng)價(jià)，因量子點(diǎn)進(jìn)入體內(nèi)的途徑不同，其藥代動(dòng)力學(xué)，蓄積毒性以及藥效均不同。所以，不僅要研發(fā)低毒或無毒的功能性量子點(diǎn)，還應(yīng)確定量子點(diǎn)應(yīng)用于臨床治療和診斷的可接受劑量。3.1量子點(diǎn)的給藥途徑對(duì)毒性效應(yīng)的影響Geys等分別用3 600 pmol/L和720 pmol/L劑量的CdSe/ZnS_carboxyl量子點(diǎn)靜脈注射小鼠，可引起肺部血栓，而且CdSe/ZnS_carboxyl量子點(diǎn)主要分布在肝、肺和血液中16。Jacobsen等用QD620通過靜脈滴注高血脂ApoE/模型小鼠，24 h后發(fā)現(xiàn)小鼠出現(xiàn)急性肺部炎癥和水腫，

16、同時(shí)引起肝細(xì)胞壞死17。此外，Yong等觀察不同劑量(45 mg/kg 和10.5 mg/kg)的CdSe0.25 Te 0.75/CdS_ MUA量子點(diǎn)在體內(nèi)短期和長期的分布與毒性18。結(jié)果表明經(jīng)尾靜脈注射45 mg /kg 的量子點(diǎn)，短期內(nèi)并未發(fā)生急性炎癥，注射10.5 mg/kg 量子點(diǎn)，7周也沒有發(fā)現(xiàn)肝、脾、肺、腎、淋巴結(jié)等組織器官的異常。Chen等用CdSe/ZnS_AFP_Ab(QD590)靶向標(biāo)記荷HCCLM6 瘤裸鼠，并未發(fā)現(xiàn)急性毒性效應(yīng)19。他們?cè)儆?0 mol/L，0.2 ml/10 g劑量的QD/ZnS_MAA_AFP_Ab尾靜脈注射裸鼠，1周后觀察無明顯中毒反應(yīng)，對(duì)血清

17、丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶和尿素氮水平無明顯影響5。Zhang等用480 g/kg CdTe晶格通過靜脈注射到雄性大鼠，并未出現(xiàn)明顯的功能性毒性效應(yīng)和病理變化20。消化道的胃部具有強(qiáng)酸性環(huán)境可以破壞量子點(diǎn)的晶格15，因此經(jīng)過消化道后量子點(diǎn)可能出現(xiàn)毒性效應(yīng)。Karabanova 等研究CdSe/ZnS 量子點(diǎn)在Wistar大鼠消化道的分布和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)口服的CdSe/ZnS_fat和CdSe/ZnS量子點(diǎn)在經(jīng)過消化道后都被降解，但是CdSe/ZnS_fat量子點(diǎn)的穩(wěn)定性比CdSe/ZnS量子點(diǎn)穩(wěn)定性好，不過兩者都可能存在由Cd2釋放引起的毒性效應(yīng)21。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)QD621_PEG對(duì)皮

18、膚的穿透性很低22。而Ryman_Rasmussen等的研究結(jié)果表明，皮膚對(duì)量子點(diǎn)的吸收與其形狀大小和包覆的材料有關(guān)23。Mortensen等用粒徑30 nm的量子點(diǎn)處理SKH_1研究紫外線對(duì)皮膚損傷與量子點(diǎn)吸收的關(guān)系，結(jié)果表明在沒有紫外線照射下，量子點(diǎn)在24 h內(nèi)只滯留在生發(fā)層的角質(zhì)層細(xì)胞，經(jīng)過紫外照射后，量子點(diǎn)就會(huì)由于細(xì)胞損傷而進(jìn)入深層的組織24。Jacobsen等研究表明QD620經(jīng)肺部吸入后可引發(fā)小鼠程度輕緩的炎癥18。這些研究都說明量子點(diǎn)與消化道、皮膚和呼吸道接觸后，都會(huì)造成機(jī)體不同程度的損傷，同時(shí)這種損傷與量子點(diǎn)所處的環(huán)境因素密切相關(guān)，酸性環(huán)境、光和氧都會(huì)加劇量子點(diǎn)的在體內(nèi)毒性效應(yīng)

19、。因此，設(shè)計(jì)出對(duì)酸、光和氧有耐受能力的量子點(diǎn)對(duì)于臨床應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。3.2量子點(diǎn)在體內(nèi)的代謝與蓄積毒性用于診斷治療的量子點(diǎn)在進(jìn)入體內(nèi)后會(huì)導(dǎo)致什么后果呢？這也是目前人們最關(guān)心的問題。血液循環(huán)系統(tǒng)可能是量子點(diǎn)最初造成影響的系統(tǒng)。Ballou等在研究包覆不同材料的量子點(diǎn)在小鼠體內(nèi)的分布時(shí)，發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)在各器官和組織的分布與時(shí)間和量子點(diǎn)粒徑大小相關(guān)25。例如，QD_PEG小的量子點(diǎn)很快從循環(huán)系統(tǒng)中清除，而大的量子點(diǎn)就需要花較長的時(shí)間才從循環(huán)系統(tǒng)中清除。實(shí)際上，沒有經(jīng)過功能化的量子點(diǎn)可以進(jìn)入絕大多數(shù)細(xì)胞，因此可以在很多類型的組織中分布。但經(jīng)過功能化的量子點(diǎn)只有非常少的量進(jìn)入非靶向的組織細(xì)胞。很多研究都表明量

20、子點(diǎn)主要分布在肝、脾、肺、腎、淋巴結(jié)組織，循環(huán)系統(tǒng)中的量子點(diǎn)最終是通過網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)被清除26,27。Ballou等報(bào)道的量子點(diǎn)可以在網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)滯留數(shù)月之久25。這表明網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)可能會(huì)受到量子點(diǎn)的毒性損害。量子點(diǎn)在體內(nèi)的蓄積部位與蓄積時(shí)間都是研究其毒性的重要參數(shù)，而且這也與所用的劑量有關(guān)系。因此，長期蓄積對(duì)機(jī)體可能存在潛在影響。量子點(diǎn)的粒徑和大的比表面積會(huì)使其在體內(nèi)的滯留時(shí)間延長。例如，F(xiàn)ischer等在大鼠注射3種不同的CdSe/ZnS_QDs，表面分別包覆MAA(Mercaptoacetic acid)、lysine和牛血清白蛋白(BSA)28。結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種量子點(diǎn)在體內(nèi)的分布是不同的，但

21、在10天內(nèi)并未在尿液和糞便中檢測出量子點(diǎn)，說明量子點(diǎn)全部滯留在體內(nèi)。Choi等的研究表明進(jìn)入體內(nèi)的粒徑小于5.5 nm量子點(diǎn)可以通過腎臟快速排泄出體外，但是量子點(diǎn)通過腎臟排泄還與包覆材料有關(guān)12。例如QD515_胰島素在血中的半衰期只有8.8 min，在身體的半衰期是1.9 h，而QD515_IgG在血中的半衰期是330 h，在體內(nèi)的半衰期是730 h。許多研究表明有一部分的量子點(diǎn)會(huì)長期滯留在體內(nèi)而不被排出。因此，當(dāng)用量子點(diǎn)作為腫瘤治療標(biāo)記物時(shí)，就有必要研究由其滯留引起的長期慢性毒性。Lin等研究QD705在ICR小鼠體內(nèi)的藥物動(dòng)力學(xué)和毒理學(xué)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)28天到6個(gè)月后，肝、脾和腎的量子點(diǎn)逐漸

22、清除，雖然肝、脾和腎在組織學(xué)水平上沒有明顯的病變，但是腎小管上皮細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的線粒體明顯減少29。Chen 等研究近紅外CdHgTe/ZnS_TGA量子點(diǎn)時(shí)，當(dāng)劑量大于10.5 g/g時(shí)，小鼠在24 h內(nèi)死亡，小于此濃度，小鼠至少可以存活3個(gè)月。在注射后200 min內(nèi)，量子點(diǎn)在血液中的濃度下降5030。Gao等發(fā)現(xiàn)有QDs在體內(nèi)有緩慢降解，并導(dǎo)致QDs熒光發(fā)生變化，提示可能在長期的滯留中量子點(diǎn)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化31。上述結(jié)果說明：體內(nèi)量子點(diǎn)毒性存在劑量效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。多數(shù)研究表明，QDs能在全身各處組織器官分布并累積。由于QDs的類型眾多，因此其吸收、分布、代謝和排泄的方式也各異。QD的核心材料組

23、成成分、顆粒尺寸大小、表面包覆材料的生物活性、光和氧化狀態(tài)以及其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不但決定其毒性，同時(shí)也決定了它的吸收、分布、代謝和排泄的方式。4量子點(diǎn)生物毒性機(jī)制量子點(diǎn)的生物毒性機(jī)制尚不清楚，部分研究表明量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性與晶格核中的重金屬釋放有關(guān)。即使在非常低的濃度下，重金屬離子對(duì)人體毒性也很強(qiáng)。Cd2在人體內(nèi)的半衰期是1520年，可以累積在各種組織中，同時(shí)它還能穿透血腦屏障和胎盤。如果量子點(diǎn)的核心泄露出Cd2，那么就會(huì)在體內(nèi)引起ROS和氧化脅迫導(dǎo)致細(xì)胞毒性3233。這種現(xiàn)象與量子點(diǎn)晶格存在光解和容易被氧化的缺點(diǎn)有關(guān)。當(dāng)量子點(diǎn)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)后，這個(gè)缺點(diǎn)表現(xiàn)更為突出。量子點(diǎn)的包覆結(jié)構(gòu)一旦降解，量子點(diǎn)晶格

24、便可釋放Cd2等重金屬離子。但是Cd2不是引起細(xì)胞毒性的唯一因子。Cho等34在檢測用MPA(mercaptopropionic acid)、Cysteamine和NAC(N_acetylcysteine)包覆的CdTe量子點(diǎn)和CdSe量子點(diǎn)引起的MCF_7細(xì)胞內(nèi)Cd2濃度的變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)CdSe量子點(diǎn)在檢出限以上沒有檢測到Cd2，而CdTe量子點(diǎn)根據(jù)包覆材料的不同，可使細(xì)胞內(nèi)的Cd2濃度提高到30 nmol/L，甚至150 nmol/L。但是不同的CdTe量子點(diǎn)引起的Cd2濃度與細(xì)胞活力之間并沒有劑量_效應(yīng)關(guān)系，這表明量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性不是單一由Cd2引起的。激光共聚焦掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過CdTe

25、量子點(diǎn)處理的細(xì)胞，由于Cd2和ROS濃度提高，導(dǎo)致溶酶體損傷嚴(yán)重。這些結(jié)果均表明CdTe量子點(diǎn)誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡是通過Cd2、ROS和溶酶體脹大增加通透性及其在細(xì)胞內(nèi)重新分布定位共同引起的35。ROS產(chǎn)生的確是量子點(diǎn)引起細(xì)胞毒性的一部分原因，但是胞漿中的Ca2對(duì)ROS引起的細(xì)胞損傷也起到促進(jìn)作用。Tang等用CdSe量子點(diǎn)研究海馬神經(jīng)元胞漿Ca2濃度的變化36。結(jié)果表明量子點(diǎn)可以通過胞外Ca2內(nèi)流和胞內(nèi)Ca庫，提高胞漿Ca2濃度。而Ca2內(nèi)流主要是通過Na通道，部分是通過N_型Ca2通道。此外，Clarke 等的研究表明，量子點(diǎn)的光毒性可以引起細(xì)胞膜出現(xiàn)大的裂孔，并引起DNA的氧化損傷37。盡管Q

26、Ds可以引起DNA損傷，但是很快被修復(fù)。因此，QDs能否引發(fā)癌癥發(fā)生依然存在爭議。Choi等研究發(fā)現(xiàn)CdTe_NAC可以引起SH_SY5Y細(xì)胞Fas蛋白表達(dá)上調(diào)并引起細(xì)胞膜脂質(zhì)的過氧化，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡38。5展望量子點(diǎn)獨(dú)特的光學(xué)屬性令其成為具有廣闊發(fā)展前景的熒光染料，可以作為藥物載體、熒光標(biāo)記物應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域上。常見的量子點(diǎn)含具有生物毒性的重金屬元素，但量子點(diǎn)的潛在毒性是由多因素決定的，因此其毒理學(xué)研究仍需深入探索。目前，有關(guān)量子點(diǎn)的毒理學(xué)研究主要集中在量子點(diǎn)短期內(nèi)對(duì)體外培養(yǎng)單細(xì)胞的毒性影響，以及在動(dòng)物體內(nèi)的分布和急性毒理。盡管用于研究量子點(diǎn)毒性的方法多樣，但是卻沒有成熟可靠的毒性檢測

27、模型。此外，量子點(diǎn)的遺傳毒性，目前研究資料較為缺乏，也沒有專門的毒理檢測系統(tǒng)。由于量子點(diǎn)在培養(yǎng)基和體液中容易聚集，因而從聚集的量子點(diǎn)毒性效應(yīng)獲得的數(shù)據(jù)與分散均勻的量子點(diǎn)毒性仍存在一定的誤差，對(duì)其機(jī)理研究也存在一定難度。因此，解決量子點(diǎn)在水中的聚集趨勢，以及量子點(diǎn)的遺傳毒性，都是是未來很好的研究方向。這對(duì)于量子點(diǎn)用于臨床診斷，可提供可靠的安全性數(shù)據(jù)。建立可靠、高效、快速的毒性檢測方法很有意義。例如King_Heiden等用斑馬魚胚胎檢測量子點(diǎn)的毒性可以作為一種廉價(jià)快速的生殖毒性檢測方法39。我們采用IVM 檢測CdSe/ZnS_transferrin量子點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)這種量子點(diǎn)可以干擾體外卵母細(xì)胞的正

28、常發(fā)育，導(dǎo)致卵母細(xì)胞成熟率降低，而且這種毒性效應(yīng)存在劑量關(guān)系40。這種檢測方法也可作為量子點(diǎn)遺傳毒性的檢測分析方法。各方面的研究都表明量子點(diǎn)的穩(wěn)定性影響它潛在的毒性。因此，設(shè)計(jì)合成出穩(wěn)定性高的無毒量子點(diǎn)意義深遠(yuǎn)。例如不含重金屬的量子點(diǎn)也同樣具有很好的光學(xué)特性和生物相容性41?？偠灾?，由于量子點(diǎn)的種類很多，在實(shí)行臨床應(yīng)用之前，其毒理研究是一個(gè)長期持久的課題。參考文獻(xiàn)1 Bruchenz M J, Moronne M, Gin P, et al. Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels J. Science, 199

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