量子点（QDs）生物毒性的研究进展

陈 行，葛海龙*

（1.重庆丰都农业科技发展集团有限公司博士后科研工作站，重庆市 408200；2.丰都县农业农村委员会，重庆市 408200）

量子点（Quantum dots，QDs）指可自发荧光，粒径在2-10 nm的半导体纳米晶体。常见的QDs由Ⅳ、Ⅱ-Ⅳ和Ⅲ-Ⅴ族元素组成，例如碳点、InP QDs和CdSe QDs等[1]。QDs具有性质稳定、生物毒性小、颜色丰富等优点，目前广泛应用于生物成像、发光元件制造和污染物监测等方面[2]。

QDs主要通过血液循环进入动物体内，暴露方式可影响量子点在生物体内的富集，但总体无较大差异，例如经过腹部皮下注射和尾部静脉注射处理后的小鼠，QDs都富集在内脏器官肝、肾、脾中，其中少部分还沉积在心脏和肺部，极少量会跨越血-脑屏障，在脑中积累[3]。除此以外，QDs还可跨越血-睾或血-卵屏障，在性腺（精、卵巢）中积累，影响睾丸、卵巢和胎盘的发育。但是相关研究均证实QDs不随精子、卵子直接从亲本传递给子代[4]。诸多因素会影响QDs的毒性，包括元素组成和粒径大小等，通过联结配体可降低QDs毒性。目前QDs毒性作用机制尚未明晰，极大地限制了其在生物医学方面的应用，因此本文旨在总结国内外QDs毒理学研究，并对可能的毒性作用机制进行推测。

1 QDs的应用

QDs相比传统化学染料具有发光时间长，性能稳定等优点，但与环境中的Fe2+等离子接触后，容易产生荧光猝灭或发光光谱改变的现象。由此，QDs可被制成光传感器来检测水体中部分金属离子的含量[5]。QDs对离子的识别具有特异性、反应迅速和准确度高的优点，QDs传感器的特异性受到表面配体的影响，除去能检测金属离子外，通过更换QDs表面配体还可对NO2-等非金属离子的含量进行检测[6]。

除此以外，还能应用于医学检测、生物体内成像和纳米医疗[7]。QDs主要通过胞吞的方式进入细胞，被溶酶体消化后释放，最终散布在细胞质中，因此将QDs和药物联结可提高药物的定位效果，同时还可增强药效，提高对靶向细胞的杀伤作用[8]。例如联结抗癌药物阿霉素DOX和CQDs，处理HeLa细胞可将其细胞活性降至21%，而单独使用阿霉素仅能降至50%。在体内实验中，联结物主要富集在肿瘤处，肿瘤的生长受到明显抑制，单独使用阿霉素的情况下，肿瘤却还能继续生长[9]。此外Kang等发现，GQDs能够促进细胞自噬以及恢复部分受损的自噬功能，使得溶酶体中堆积的异常胆固醇减少，最终减轻C型尼曼氏病（神经性疾病）发病后带来的损伤[10]。

2 QDs的生物毒性

经由不同的暴露方式（投喂、气溶胶暴露、尾部静脉注射和腹腔皮下注射）处理，QDs可穿越细胞屏障、血-气屏障、血-睾屏障等，聚集在肝脏、肾脏、脾脏、生殖腺等器官中，QDs甚至能跨越血-脑屏障，极少量地进入动物脑部。在暴露后的短时间内，QDs首先集中于暴露位置，其后经血液循环进入各器官。

泌尿系统由肾、输尿管、膀胱和尿道组成。其中，肾脏发挥着重要作用，清除血液中的杂质，将代谢废物通过尿液排出体外，同时，具有重吸收作用，调节水盐平衡。肾脏可能是最先处理QDs的器官，在大鼠（Rattus norvegicus）的尾部静脉注射QDs的试验中，1 h后的尿液中即可检测到荧光，而在其他器官中未发现。肾脏作为代谢QDs最快的部位，在短时间内QDs含量升高，后续含量远低于肝脏，而应对损伤的能力却不如肝脏细胞，通过比较细胞活力和氧化胁迫程度等，发现CdTe QDs对肾脏细胞造成的损伤强于肝脏[11]。

消化系统由消化道和消化腺组成，消化道起至口腔，终至肛门，消化腺包含唾液腺、胃腺、肝胰腺和肠腺，其中肝胰脏借助导管将分泌物排入消化管内参与食物的消化吸收。QDs引起的消化系统损伤研究也主要集中在肝脏损伤上。QDs暴露会引起小鼠炎症因子、氧化标志物和肝脏损伤标志物增多[12]。在肝脏细胞LO2中，CdSe/ZnS QDs激活NLPR3炎症小体，引发线粒体ROS（mtROS）的产生和胞内Ca2+含量的上升，通过使用Ca2+释放抑制剂可缓解QDs诱发的细胞焦亡。但使用该QDs处理NLRP3敲除小鼠仍能引起mtROS含量上升、肝损伤和肝功能紊乱，仅能通过使用mtROS消除剂Mito-TEMPO减轻被处理小鼠的症状。通过注射NAC（N-acetyl-l-cysteine，ROS清除剂）同样能够明显削减QDs的肝脏毒性[13]。

生殖系统作为生物体重要的组成部分之一，在繁殖过程中起着重要作用，而QDs能够穿过血-睾屏障或血-卵屏障，这不得不令人担忧QDs引发的生殖系统毒性和遗传毒性。让经过QDs处理的雌性昆明小鼠和未处理的雄性昆明小鼠自由交配，发现QDs虽然被胎盘屏障阻隔后无法进入胎儿体内，但是QDs对其胎盘造成影响后导致了胎儿的畸形[14]。推测胎盘阻碍QDs进入胚胎，QDs不直接进入后代产生作用，但积聚于胎盘，胎盘受损后对后代的营养供应受到影响，从而减缓子代发育。CdSe/ZnS QDs暴露导致小鼠精巢固有层变薄、间质破损和输精管畸形、精原细胞的DNA双链断裂、减数分裂进程受阻和细胞凋亡等情况，最终引发精子生成减少，而通过抑制细胞自噬能够明显减少QDs产生的毒害作用，精子生成能力部分恢复[15]。高浓度CdTe QDs（2nmol）暴露处理60 d后，发现虽然小鼠精子数量和移动能力与空白组无明显差异，但是精子顶体完整性降低，低浓度的（0.2nmol）QDs不产生明显影响，使被处理过的雄性小鼠与未处理雌性小鼠交配，却并没有发现这会对后代产生影响[16]。

QDs处理雌性亲本后均会造成子代发育迟缓，处理雄性亲本后影响精子生成，然而再与正常雌性产生后代后对子代影响很小，这可能与精子受损后精子活力下降，精卵结合时异常精子竞争能力变弱，多是正常或受损程度较轻的精子与卵子结合产生后代有关。

QDs还会对神经系统和呼吸系统造成影响。QDs影响与葡萄糖代谢有关的柠檬酸循环、乙醛酸代谢和氧化磷酸化等通路，引起神经细胞产生炎症反应。QDs处理还会引起Smad6基因上启动子发生甲基化，进而激活BMP通路，最终抑制神经的形成和分化[17]。CdSe QDs暴露导致人支气管上皮细胞的DNA双链发生断裂，引起促炎症因子基因表达上调，CdSe QDs还可引起NHBEs细胞产生氧化应激、线粒体功能受损以及明显的DNA双链断裂[18]。

QDs毒性强弱受到多种因素影响：组成成分、外壳、配体等。QDs经过紫外线照射或酸性环境等条件下，内核释放，散发毒性，而QDs毒性作用不单单来源于内核释放。从组成成分出发，非重金属组成的InP、Si和C等组成的QDs毒性相较于CdSe等QDs毒性显著降低，但其生物毒性仍不可忽略[19]。给QDs加上ZnS等外壳后既能增强QDs发光性能，又能降低QDs的毒性作用，然而有文献指出外壳中Zn2+等离子的释放可能会影响细胞的离子稳态[20]。QDs的配体影响QDs带电性质，带正电荷的QDs毒性明显强于带负电荷的QDs，这可能是因为带正电荷的QDs更容易积聚在生物体内，同时部分配体本身也具有毒性作用，例如常用的巯基丙酸。

QDs的粒径大小也影响其毒性强弱，文献指出大于5 nm的QDs毒性弱于小于5 nm的QDs，这可能是因为小粒径的QDs更容易进入细胞[21]。细胞通过胞吞的方式摄入QDs，然后呈递给溶酶体。溶酶体中的酶消化QDs，却会产生过多ROS，ROS破坏溶酶体膜，进而进入细胞基质中。游离的QDs表面活性很强，与细胞基质中的水分子等反应，进一步诱导ROS产生。以上两步产生的ROS进攻胞内细胞器，造成线粒体和内质网等形态和功能异常，在高浓度暴露下时，QDs甚至能进入细胞核，攻击DNA双链，导致DNA双链断裂。当胞内ROS超过细胞承受能力时，线粒体膜破坏，内容物外流，诱发细胞自噬产生，此时可观察到胞内自噬小体的形成。而通过使用ROS清除剂，自噬抑制剂可明显减弱QDs的毒性作用，与此类似，通过抑制内质网中未折叠蛋白的合成同样可以降低QDs毒性作用[22]。

综上所述，本文对QDs的毒性影响因素、作用机制等进行综述，重点阐述了其损伤作用和作用机制，并对当前研究进行分析。目前，关于QDs的毒性作用机制尚不明晰，推测主要毒性作用来源于有毒重金属内核的释放和诱导过多活性氧的产生，但有待进一步研究。