碲化镉量子点细胞毒性的机制研究

目前，纳米材料的生物安全性问题受到了科学界的广泛关注，但对于其机制研究相对较少。量子点作为一种在生物医学领域具有极大应用前景的新型纳米材料，其安全性问题尤其值得重视。本课题提出，纳米材料的生物毒性可能来自于理化特性与纳米尺度特性两个方面，即量子点的生物毒性可能来自其解离的重金属元素，但又因为其纳米尺度特性而有所差别。本课题中拟使用基于上海光源的同步辐射X-ray显微技术，考察量子点在胞内的分布及转运过程，进而揭示量子点生物毒性的机制。总的说来，本课题有望为量子点的无毒性表面修饰，为量子点的应用奠定基础，为类似的如TiO2，Fe3O4等多种金属纳米材料的安全性的机制研究提供有益的思路，同时也能为基于同步辐射光源的X-ray显微技术在生物学领域的应用做出探索。

经过3年的研究，本课题系统考察了CdTe量子点的生物毒性，并从化学特性以及纳米尺度特性两方面来探索其机制。首先，我们使用多种细胞株研究了CdTe量子点的细胞毒性，发现表面修饰了ZnS层的CdTe/CdS/ZnS核-壳-壳型量子点几乎没有明显的细胞毒性。这可能是因为双层壳结构阻隔了镉离子的释放，而镉离子是已知具有生物毒性的。我们随后使用基因表达谱芯片，检测量子点引发的基因表达，并借助生物信息学的手段来简要分析其相关的信号转导通路。同时，我们也通过基因芯片的方法系统比较了CdTe量子点和CdCl2 引发的基因表达变化,发现二者具有明显的相似性，提示释放的镉离子是镉系量子点产生细胞毒性的主要原因，也即量子点的生物毒性与其化学构成相关。另一方面, 量子点处理细胞后，使用ICP-MS方法能够测定细胞外重金属元素的含量。借助于该方法，本课题考察了不同浓度的Cd离子，Te离子在这些细胞株中的毒性，并与相同浓度量子点引发的细胞毒性进行比较。结果展示，在细胞内游离镉离子的浓度相同时，CdTe量子点对于细胞的毒性远远大于CdCl2,表明其细胞毒性不应仅仅归结于镉离子的释放,应该考虑更多因素来解释其毒理机制。.基于同步辐射光源的X-ray显微技术具有极高空间分辨率，使用该技术能够非常方便的对细胞内进行元素谱图分析，在纳米材料的细胞内分布、转运研究方面有重要潜力。本课题使用这种新型细胞内元素成像技术，在细胞、亚细胞层次上对进入细胞的量子点的分布定位进行研究，结果发现CdTe量子点在亚细胞水平的分布是不均一的,明显富集在细胞核的周围。我们猜测,而这种纳米粒子在细胞内的不均一分布可能产生显著的纳米效应,从而放大了镉离子的生物毒性。此外，我们还发现量子点的细胞毒性与其能够引发细胞自噬相关。关于这种“纳米效应”的本质，以及所涉及的生物学过程和机理，尚需要进一步的揭示。