InP量子点体内肝肾代谢路径及毒性机理研究

With the widespread application of quantum dots (QDs), the risk of human expousure to QDs is increasing. In recent years, a lot of cadmium-free QDs are developed because of the risk of cadmium exposure from cadmium-containing QDs. InP is currently the most widely used cadmium-free QDs, but the biological safety of QDs is poorly understood by human beings; especially the in vivo metabolic pathways and toxicological effects of cadmium-free QDs are still lack of reliable data. In this study, InP/ZnS core-shell QDs are prepared by oil phase synthesis method, and QDs with different physical and chemical properties are obtained by controlling the reaction conditions, changing the surfactants, and optimizing the surface groups. The laboratory animals are exposed with these QDs through three different administration ways, inhalation, digestion and vein. Then we plan to systematically study the metabolic pathways of these InP QDs with different physical and chemical properties in liver and kidney and their toxicological effects. We aim to set up systematic animal-organ-cell-molecule platform to evaluate the toxicity of QDs, illustrate the correlation between hepatorenal toxicological effects of QDs and their nanometer characteristics under different exposure ways, reveal the important mechanisms and facilitate the QDs biological safety evaluation, treatment after QDs exposure as well as its application in biomedical field.

随着量子点的广泛应用，人类接触量子点的风险越来越大。由于含镉量子点存在镉暴露的风险，近年来人们发展了很多无镉量子点。InP是目前应用最广泛的非镉量子点，但人们对此类量子点的生物安全性了解甚少，尤其是其在体内的代谢路径和毒性效应匮乏可靠数据。本项目采用油相法合成InP/ZnS核壳量子点，通过控制反应条件、调整活性剂和优化表面基团，获得一系列不同理化特性的InP/ZnS核壳量子点。此量子点通过呼吸道、消化道和静脉三种不同途径暴露实验动物，研究不同暴露条件下，不同理化特性量子点的肝肾代谢路径和毒性效应，建立量子点生物整体-组织器官-细胞-分子多层次的毒理学分析方法，阐明量子点的肝肾毒性效应与纳米特性、不同暴露途径之间的相关性，揭示量子点肝肾毒理学效应的发生机理，推进量子点生物安全的正确评价、暴露后的处置以及在生物医学领域的应用。

InP是目前应用最广泛的非镉量子点之一，但其在体内的代谢路径和靶器官毒性效应匮乏可靠数据。本项目重点研究了不同表面修饰InP/ZnS量子点（QD-NH2、QD-OH和QD-COOH）在不同暴露途径下的体内分布代谢, 并分析其肝肾毒性效应及其机制。研究结果表明，三种量子点静脉暴露后，均可以快速分布小鼠各主要脏器，引起肝功能、心功能有关的血液或生化指标异常。相比QD-NH2和QD-OH，QD-COOH量子点毒性较大。量子点呼吸暴露后，三种量子点均能够迅速穿透血气屏障进入血液循环并在主要器官中积累。白细胞比例发生改变，部分血清标志物发生异常，但除肺泡间隔充血外，主要脏器未见明显的组织病理学异常。量子点胃肠道暴露后，在粪便、血液和肝肾等靶器官中均检测量子点元素，提示部分量子点可以被胃肠道吸收，通过门静脉进入血液循环。除胃肠道反应外，未见明显的毒性效应。肝脏毒性研究结果表明，三种量子点进入体内后，QD-OH主要引起肝功能相关指标发生改变，QD-NH2和QD-COOH会引起血液炎细胞水平升高，三种量子点都会引发肝脏的氧化应激反应，但是随着暴露后时间的延长，以上指标都可以恢复至正常水平。三种量子点暴露均会引起肝组织微粒体酶表达水平发生改变，其中QD-OH主要升高CYP家族酶的水平，QD-NH2量子点可以诱导 CYP7A1酶高表达，而QD-COOH则会抑制CYP7A1和CYP3A16酶的活性。肾脏毒性研究结果表明，量子点可以在肾脏蓄积，但未引起组织形态学及肾脏功能异常。三种量子点均引起小鼠肾组织氧化应激，QD-OH和QD-NH2引起KIM-1表达明显升高，凋亡相关基因(Bax、Caspase 3、7和9)表达上调。通过该项目开展，建立了量子点多层次的毒理学分析方法，阐明量子点的肝肾毒性效应与发生机理，为推进量子点生物安全的正确评价及其在生物医学领域的应用提供了重要的实验依据。