内质网应激与线粒体活性氧簇代谢障碍在量子点诱导肝毒性中的作用及机制研究

Quantum dots (QDs), semiconductor nanoparticles with unique photo-physical properties, have become one of the dominant classes of imaging probes as well as universal platforms for engineering of multifunctional nanodevices. The toxicity of QDs depend on inherent physicochemical properties, which is the key issue of biomedical area. Previous studies indicated that the liver was to be a major accumulation site and target organ for circulatory QDs, and the hepatotoxicity of QDs induced by oxidative stress. Currently, the knowledge of the relationship between hepatotoxicity and physicochemical properties of QDs is limited. Also, the underlying mechanism and signal pathways have not been revealed yet. In this project, we will study the role of endoplasmic reticulum stress and mitochondrial dysfunction in QDs-induced hepatotoxicity and related molecular mechanism, find the early biomarkers，and estimate how physicochemical properties of QDs influence on hepatotoxicity using state-of-art techniques in chemistry, cellular biology, molecular biology and imaging. This project will help us understand the bio-safety of QDs and design safe QDs to be used in biomedicine area.

量子点是具有特殊光学特性的半导体纳米晶体，其基于理化性质的安全性是决定量子点能够应用到生物医学领域的关键问题。前期研究发现肝脏是量子点主要蓄积部位和靶器官，量子点引起肝脏氧化应激，但其致肝损伤的机制尚不清楚，且量子点理化性质与肝损伤之间关系的研究也知之甚少。本项目基于前期研究结果，结合多学科技术与研究手段系统探讨内质网应激与线粒体代谢功能障碍在量子点致肝损伤中的作用，探索其调控肝损伤信号通路的关键分子及标志物，阐释量子点的理化性质对肝损伤的作用程度及其相应损伤机制。通过深入研究量子点致肝毒性作用及其调控机制，阐明量子点理化性质与肝损伤之间的关系，为量子点的生物安全性提供重要参考依据，以此为拓展设计安全的量子点应用于生物医学领域。

量子点(QDs)因独特的荧光特性，在显示、图像传感、生物医学等领域具有广泛应用前景。因此，全面认识和评价其毒性效应和潜在危害至关重要。肝脏是QDs进入体内的主要蓄积器官，但其引起肝脏的损伤效应及毒性机制尚不清楚。基于此，本课题在体内外水平上探讨活性氧诱发的内质网应激和线粒体功能障碍碲化镉量子点(CdTe QDs)引起的肝毒性中的作用，阐明其引起肝毒性的相关机制。主要研究结果显示：（1）CdTe QDs以尾静脉方式暴露小鼠后，可在肝脏中蓄积，10 μmol/kg CdTe QDs引起肝功能相关血生化指标天门冬氨酸氨基转移酶（AST）显著升高，肝组织病理学观察发现肝脏点状坏死和血管周围炎细胞浸润，且CdTe QDs引起肝脏损伤相关氧化应激和凋亡蛋白表达;（2）以人肝癌细胞HepG2和人肝正常细胞L02为体外模型，研究结果表明CdTe QDs以浓度依赖性的方式引起细胞形态明显改变、降低细胞生存率、引起细胞膜损伤并诱导细胞凋亡；（3）CdTe QDs引起两种肝细胞氧化应激和内质网应激，氧化应激的产生导致肝细胞死亡率升高，而内质网应激对HepG2细胞具有一定保护作用，对于L02细胞则是加剧其毒性。CdTe QDs诱导了两种肝细胞自噬的产生，L02细胞自噬水平的显著提高要晚于HepG2细胞，并且自噬的产生加剧了HepG2细胞的毒性作用，对L02细胞的毒性影响较小；（4）CdTe QDs可引起细胞线粒体跨膜电位下降、细胞内游离Ca2+水平升高和ATP含量降低，线粒体超微结构呈现出线粒体嵴的破环和数量的减少，以及细胞线粒体分布明显分散和数量减少，CdTe QDs引起的线粒体受损与其抑制受损线粒体的清除和线粒体内膜的融合，导致受损线粒体的保留而引起一系列线粒体介导的毒性效应相关。本研究为全面认识CdTe QDs的肝脏毒性效应及其作用机制提供了有用的信息，发现了低剂量水平和毒性早期的损伤效应，也进一步阐明了线粒体分裂融合和线粒体自噬参与CdTe QDs诱导的线粒体功能障碍在CdTe QDs诱导的肝脏毒性中的作用，为全面认识CdTe QDs的肝脏毒性提供了有价值的参考。