荧光碲化镉量子点和硅纳米颗粒的活体生物学效应及其生物成像应用研究

摘要

近年来，随着各类功能性纳米材料的问世，纳米科学技术在实际应用方面取得了长足进步。其中以荧光纳米颗粒（如：II-VI族荧光量子点、荧光硅纳米颗粒等）为代表的零维荧光纳米材料被日益广泛应用于生物成像、传感分析检测等相关研究中。值得指出的是，系统研究纳米材料的生物学效应对于推动纳米材料的广泛应用具有重要的意义。秀丽隐杆线虫和家蚕是被研究者广泛应用于生物学相关研究的两种模式生物，均具有培养简便、生殖与生命周期短、解剖学和遗传学背景清晰等特点。
　　在本篇博士论文中，我们以线虫和家蚕为活体动物模型，进行了荧光碲化镉量子点在活体内的生物学效应及机制研究，以及荧光硅纳米颗粒在活体内的生物学效应和成像应用研究。具体内容如下：
　　第一章：简要概述了荧光量子点和荧光硅纳米颗粒在生物学效应和生物成像应用等方面的研究进展，以及阐明本论文的研究目的和研究内容；
　　第二章：系统地研究了荧光碲化镉量子点在线虫体内所诱导的细胞自噬现象和相关机制。研究结果表明，碲化镉量子点在线虫肠细胞中会触发完整的自噬过程。进一步的研究发现，碲化镉量子点在线虫体内所诱导的自噬过程，并非由量子点所释放的重金属离子或者碲化镉量子点本身所致，而是机体为了清除和回收利用被碲化镉量子点损伤的细胞器而产生的一种自我防护反应。本研究有助于我们更好地了解碲化镉量子点与体内细胞自噬的关系，为碲化镉量子点的安全性评估和生物应用提供了宝贵的信息。
　　第三章：从整体水平、亚细胞结构水平以及分子水平三个层面较为系统地研究了水分散性荧光硅纳米颗粒在活体内的生物安全性。实验结果表明，线虫在整个生长发育阶段接受高浓度的硅纳米颗粒喂食处理后，其生长发育、寿命以及生殖能力均没有受到明显影响。亚细胞水平的分析显示，硅纳米颗粒在进入线虫肠细胞时以及进入肠细胞后均不会对肠细胞的内吞作用等活动造成影响。分子水平的检测发现，硅纳米颗粒在线虫体内不会引起细胞产生面对刺激性环境时的各类防御性生物学行为，如内质网应激反应、线粒体应激反应以及氧化应激反应等。上述实验结果表明，荧光硅纳米颗粒在线虫体内表现出良好的生物相容性，有望作为低毒荧光探针广泛应用于生物成像领域。
　　第四章：研究了小尺寸荧光硅纳米颗粒在线虫中的行为学和靶向成像。首先，研究表明荧光硅纳米颗粒能够轻易地进入线虫的组织和细胞。其次，进入线虫体内的硅纳米颗粒呈现出限制性的弥散型分布，且表现出良好的生物安全性和稳定性。此外，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸短肽修饰的荧光硅纳米颗粒能够在活体线虫内实现对其体壁肌肉细胞附属蛋白的特异性成像。上述研究成果为设计和制备基于硅纳米颗粒的荧光探针，并用于长时程示踪活体内的生物学行为提供了有用的信息。
　　第五章：系统地开展了荧光碲化镉量子点和荧光硅纳米颗粒在家蚕体内的转运和毒性研究。研究发现，进入家蚕血淋巴的碲化镉量子点能够被转运到家蚕的各个组织和器官中，并对家蚕产生明显的毒性。当碲化镉量子点表面被修饰上特定的氨基酸（甘氨酸或丙氨酸）后，碲化镉量子点在家蚕体内的行为会发生明显改变，对家蚕整体以及各组织的毒性减弱。另一方面，经背脉注射的硅纳米颗粒能够快速进入血淋巴中的血细胞，但进入不同类型血细胞的速度以及对不同类型血细胞的影响均不同。在家蚕体内，高浓度的硅纳米颗粒不仅能够诱导血细胞发生凋亡，还对家蚕的造血器官的发育及功能造成明显的影响。我们进一步揭示了硅纳米颗粒对家蚕造血器官的损伤是暂时的，所受损的器官在一段时间后均能恢复正常。
　　综上所述，本博士毕业论文以线虫和家蚕为动物模式，系统地开展了荧光碲化镉量子点和硅纳米颗粒在活体内的生物学效应以及成像应用研究，主要包括：荧光碲化镉量子点和荧光硅纳米颗粒在活体水平的行为学和毒理学研究，荧光硅纳米颗粒的生物成像应用基础研究。上述研究结果对荧光碲化镉量子点和硅纳米颗粒的安全性评价及其生物成像应用具有较为重要的科学意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2量子点及其生物学应用研究进展

1.3荧光硅纳米颗粒及其生物学应用研究进展

1.4 秀丽隐杆线虫及家蚕动物模型

1.5本文的研究意义及主要研究内容

参考文献

第二章 荧光碲化镉量子点在秀丽隐杆线虫中诱导的自噬现象及机制研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

参考文献

第三章 水分散性荧光硅纳米颗粒在秀丽隐杆线虫体内的毒性研究

3.1前言

3.2实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 结论

参考文献

第四章 荧光硅纳米颗粒在秀丽隐杆线虫体内的行为学和靶向成像研究

4.1前言

4.2实验部分

4.3 结果与讨论

4.4结论

参考文献

第五章 以家蚕为活体模型研究荧光碲化镉量子点和硅纳米颗粒的活体行为学和毒性

5.1前言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4结论

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 论文的创新点以及不足之处

6.3 研究展望

攻读博士学位期间已完成或已发表的论文

附录

致谢