镉系量子点蛋白质环冠复合物的形成及其细胞毒性效应与机理研究

In the filed of the development and application of cadmium-containing quantum dots (Cd-QDs) as new materials, it has become a critical and urgent scientific issue to clarify the biological toxic effects and mechanisms of Cd-QDs on organisms. Currently, it remains unknown for the cytotoxicity and underlying mechanisms of QDs protein corona (QDs-PC) formed by Cd-QDs in vivo. In this study, QDs-PC is isoloated after the incubation of Cd-QDs with plasma. Afterwards, sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis and electrospray liquid chromatography mass spectrometry are conducted to determine the plasma protein absorbed on Cd-QDs. The characterization of QDs-PC as well as the interacting mechanism of Cd-QDs with plasma proteins and the toxicity of Cd-QDs to proteins are investigated by utilizing the technique of transmission electron microscope, isothermal titration calorimetry and multi-spectroscopy. QDs-PC induced-oxidative stress, apoptosis and other toxic effects and mechanisms are explored by fluorescence microscope, flow cytometry and biochemical assays. Also, it is clarified for the influence of Cd-QDs surface charge, absorbed major plasma protein and culture medium component on the formation of QDs-PC and the toxic effects and mechanisms of Cd-QDs. This study provides theoretical basis and new methodology for better simulating the in vivo toxic effects and mechanism research of Cd-QDs under in vitro conditions. This study also provides valuable references to the application and risk assessment of Cd-QDs in the biomedical and other fields.

阐明镉系量子点（Cd-QDs）的毒性及机理是Cd-QDs材料的开发应用领域急需解决的关键科学问题。目前，Cd-QDs在机体内形成的QDs蛋白质环冠复合物（QDs-PC）的细胞毒性及机制尚未阐明。本项目拟将Cd-QDs与血浆孵育后分离出QDs-PC，采用十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳和液相色谱-电喷雾质谱检测Cd-QDs上吸附的血浆蛋白；利用透射电镜、等温量热滴定仪及多种光谱法等手段，对QDs-PC进行表征并研究Cd-QDs与血浆蛋白的相互作用机理及对蛋白的毒性效应；利用荧光显微镜、流式细胞仪及生化检测等技术研究QDs-PC诱发肝细胞氧化应激及凋亡等毒性效应及机理，并阐明Cd-QDs电荷、单一血浆蛋白和培养基组分的影响。本研究为体外条件下更好地模拟Cd-QDs在机体内的毒性效应及机理研究提供理论依据和新的方法学，对Cd-QDs在生物医学等领域的应用及风险评估具有重要的参考价值。

阐明镉系量子点（Cd-QDs）的毒性效应及机理是Cd-QDs材料的安全设计及研发领域急需解决的关键科学问题。目前，Cd-QDs在转运过程中QDs蛋白冠的形成及其对蛋白和细胞的毒性效应及作用机制尚未阐明。本项目合成并表征了CdTeQDs和Zn掺杂的CdTeQDs（Zn-QDs），从分子和细胞水平上研究了QDs蛋白冠的形成及其对蛋白和细胞毒性效应的影响，并阐明了毒性效应的机制。得到的主要结论如下：（1）同种QDs表面结合三种典型血浆蛋白的机制存在差异。QDs主要通过疏水相互作用结合牛血清白蛋白（BSA）和转铁蛋白（TF），主要通过范德华力和氢键结合纤维蛋白原（FIB）。BSA在QDs表面的结合量最大，且形成的蛋白冠最稳定。FIB在QDs表面的结合量最小。TF在QDs表面形成的蛋白冠最不稳定。（2）QDs与典型血浆蛋白结合后均导致蛋白结构和构象发生变化，对蛋白产生毒性。对比CdTeQDs，Zn掺杂可以降低QDs对蛋白的毒性效应。Zn-QDs对蛋白结构和功能的影响较小，在分子水平上的生物相容性优于CdTeQDs。（3）QDs解离出的游离Cd是QDs诱发的氧化应激导致细胞活力降低的重要原因。BSA和FBS培养基中，QDs蛋白冠的形成均改变了QDs释放游离Cd的量，从而影响细胞内游离Cd的量，进而影响QDs在细胞内诱发氧化应激等毒性效应。对比CdTeQDs，形成蛋白冠时Zn-QDs表面结合的蛋白量较少，形成的蛋白冠较不稳定，释放的游离Cd量较多。因此，与裸QDs对蛋白毒性的结果不同，Zn-QDs诱发细胞产生氧化应激等毒性效应的程度更高，在细胞水平上的生物相容性低于CdTeQDs。本项目的研究为体外条件下更好地模拟Cd-QDs的毒性效应及机理研究提供了理论依据和新的方法学，对Cd-QDs在生物医学等领域的研发应用具有重要的参考价值。