量子点(CdSe、CdTe) 细胞毒性的定量研究

摘要

量子点(Quantum Dots,QDs)是一种新型荧光纳米材料,由于其优异的荧光特性而广泛应用于荧光检测、活细胞和活体动物示踪观察及影像诊断等领域,在纳米医学和纳米生物学等领域发挥着重要的作用。
　　 随着量子点的广泛应用,其生物安全性问题也日益受到人们关注,国内外科技工作者对其毒性进行了相关的研究,研究表明,量子点的毒性与粒径、表面修饰、暴露浓度和时间等因素有关。因此,在评价量子点毒性时,应综合分析量子点的物理化学性质,及其与所处环境的相互作用等诸多因素。
　　 本课题使用目前生物学研究领域中应用较多的量子点硒化镉(CdSe)和碲化镉(CdTe)进行研究,对不同方法制备的量子点进行表征和生物相容性检测,从粒径和结构角度分析其在不同剂量下对小鼠成纤维细胞(L929)的毒性作用,并通过细胞增殖、细胞膜损伤、细胞凋亡、氧化应激及单细胞凝胶电泳等试验方法,对不同粒径、不同结构、不同浓度的量子点的毒性进行定量检测,综合分析各方面因素引起的毒性作用机制,为量子点生物安全性评价提供依据,使这一生物医学领域中最具前景的荧光标记物能够更好、更安全地应用。
　　 通过本研究,可初步得出以下结论:
　　 1.采用两种不同的合成方法成功合成量子点(CdSe、CdTe)。最终合成的CdSe(2.2 nm)、CdTe(2.2 nm、3.5 nm)纳米粒子形貌呈球形,分布均匀,具有良好的荧光性能和优良的稳定性,水溶性好,可溶于PBS和完全培养液,且分散性良好。
　　 2.量子点(CdSe、CdTe)的生物相容性研究中,量子点(CdSe、CdTe)可引起红细胞轻度溶血。两种粒径的CdTe在同一浓度下致红细胞溶血率也存在差异。试验中最大溶血率为5.21％,说明具有良好的血液相容性,可以为生物学研究奠定基础。
　　 3.量子点(CdSe、CdTe)对L929细胞生长有一定的抑制作用。IC50结果显示2.2 nm CdSe、CdTe比3.5 nm CdTe对细胞生长有抑制作用要强,提示小粒径的量子点具有较大的细胞毒性。
　　 4.量子点(CdSe、CdTe)的剂量、粒径和结构是其毒性的影响因素。定量研究的结果表明,量子点浓度低于14μg/mL对细胞的相对毒性较低。14μg/mL的量子点可使L929细胞形态发生改变、能引起L929细胞培养液中LDH活性升高、可以引起细胞膜受损;同时还揭示了相同粒径条件下CdSe比CdTe更容易引起细胞膜的损伤,相同结构的小粒径量子点对细胞膜的损伤作用较大。粒径同为2.2 nm的CdSe、CdTe在7μg/mL时即可引起细胞凋亡率的显著增高。此外,14μg/mL剂量下,三种量子点均对L929细胞的DNA造成损伤,2.2 nm CdTe较3.5 nm CdTe的DNA损伤作用强,说明小尺寸的量子点更能引起DNA的损伤。
　　 5.L929细胞量子点(CdSe、CdTe)对毒性机制的研究表明,量子点(CdSe、CdTe)可引起MDA和OH等氧自由基含量升高,SOD和GSH-Px等抗氧化酶活性降低,说明量子点(CdSe、CdTe)可引起氧化应激反应发生。另外,在14μg/mL剂量下,中晚期凋亡率增高,坏死细胞数增多。
　　 综合以上研究结果表明,在体外细胞实验条件下,量子点(CdSe、CdTe)可引起细胞氧化应激反应,诱导细胞产生大量自由基,发生氧化损伤,造成细胞膜的损伤。同时自由基增多也引起细胞内遗传物质DNA的损伤,进而表现为细胞形态的改变和增殖活性的降低。同时认为量子点的细胞毒性受多方面因素影响,其中剂量、粒径大小是影响其毒性的重要因素,对于CdSe和CdTe量子点而言,剂量小于14μg/mL时其表现的毒性效应较轻。
　　 本研究通过体外细胞试验对不同方法制备的量子点的生物相容性和毒性及机制进行了初步探讨,为量子点体内毒性的进一步深入研究提供了线索,也为进一步优化量子点合成方法及实际应用提供了参考依据。在国家自然科学基金课题(No.30972504)的后续研究中,还需要将不同种类的裸(未修饰)的量子点与经过修饰的量子点在不同粒径、不同剂量范围等诸方面进行系统的体内外分析与研究,以得出量子点安全使用的更加有说服力的结论。