量子点与线粒体相互作用热动力学及其机制

Quantum dots (QDs) have unique optical properties and a lot of biomedical applications, but its biological effect and toxicity are still not clearly understood, especially on the level of cell organelle. In this project, CdSe/ZnS and CdTe quantum dots will be selected as the main system, and many research techniques, such as microcalorimetry, microscopy, spectroscopy, electrochemistry and bioanalysis etc., will be combined to investigate the interaction of QDs and mitochondria. Mitochondria are the most important cell organelles and can be regarded as the target of QDs toxicity. With the help of thermokinetics, the biological effect and mechanism of different QDs will be investigated from structure and function on the level of mitochondria. The thermokinetic model of the effect of QDs on living metabolism will be established, and a lot of thermokinetic properties will be obtained. Also, the mitochondrial conformation, respiration function, membrane structure, membrane penetration transition, membrane fluidity and enzyme activity will be investigated. The biological effect mechanism of different QDs and the relationship between QDs structure and interaction thermokinetic parameters will be disclosed. It will promote us deeply understand the process of the effect of QDs on living dynamic things and the interaction mechanism on subcellular level. The research will provide much important information on efficient synthesis, application and biosafty evaluation of quantum dots.

量子点具有许多独特和优异的光学性质，其在生物医学等领域具有广阔的应用前景，受到国际学术界广泛的关注。量子点生物效应及其毒理学研究成为近年来的研究热点之一。在生物个体、细胞、生物大分子等水平的纳米生物效应已经有了一些报道，但是在亚细胞层次上纳米生物效应的研究仍处于起步阶段。本研究将以线粒体为主要研究对象，采用微量热、显微、光谱、电化学、生化分析、呼吸耗氧等多种研究手段和技术相结合，建立量子点与线粒体相互作用的热动力学模型，获取相关热动力学参数，从线粒体形态、呼吸功能、膜结构、膜渗透性转换、膜流动性、线粒体酶活性等方面，研究不同量子点对线粒体的生物效应及其作用机制。深入认识量子点对生命代谢动态过程的影响途径及其在亚细胞层面的作用机制，进一步揭示和认识量子点参与细胞动态化学过程中的影响机制。本研究将为量子点的高效制备、应用及生物安全性评价提供理论依据，促进学科在高水平、深层次上的交叉渗透。

量子点具有许多独特和优异的光学性质，其在生物医学等领域具有广阔的应用前景。但量子点可能给人类健康和环境带来潜在危害，亟需进行多层次的生物效应研究。本项目聚焦量子点对细胞器（线粒体）的影响及其机制。建立了相关热动力学模型，研究量子点对线粒体代谢的影响，获取热动力学信息。研究了量子点对线粒体膜功能的影响，包括：膜肿胀、膜流动性、膜电位、膜渗透性转化等；结合显微分析等，考察了量子点对线粒体形态和膜结构的影响。考察了量子点离子释放行为、活性氧产生和线粒体生化过程的变化，分析了量子点可能的毒性机制。深入认识了量子点粒径、表面修饰物、电荷等因素对线粒体代谢动态过程的影响。研究结果表明，量子点对线粒体的毒性机制主要有镉离子释放、活性氧产生和量子点纳米尺寸效应。研究发现，量子点稳定性对线粒体毒性有很大的影响。本项目将为量子点等纳米粒子的生物安全性评价提供新方法，并为指导量子点的制备和应用提供理论依据。在ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Commun.、J. Hazard. Mater.、Chemosphere等国际期刊上发表SCI论文13篇。