熒光量子點在神經毒理學研究中的應用及前景

吳添舒，唐萌

東南大學公共衛生學院環境醫學工程教育部重點實驗室，江蘇省生物材料與器件重點實驗室，南京 210009

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熒光量子點在神經毒理學研究中的應用及前景

吳添舒，唐萌*

東南大學公共衛生學院環境醫學工程教育部重點實驗室，江蘇省生物材料與器件重點實驗室，南京 210009

如今納米生物技術的研究正以迅猛的勢頭不斷發展。量子點作為一種新型的納米熒光探針，由于其優越的光電學特性在生物學和毒理學領域有著廣闊的應用前景。神經毒理學作為毒理學的一個重要分支，量子點的應用也給該領域帶來了技術上的革命。本文重點闡述了量子點作為一種新型單分子技術和一種優秀的熒光探針在神經毒理學研究中的應用。同時，作者還簡要介紹了量子點進入機體神經系統的途徑和影響其應用的一些因素，為今后量子點的生物安全性研究和更好地應用提供了有價值的參考。

納米技術；量子點；神經毒理學；熒光探針；藥物轉運

隨著納米技術在生物醫學領域的迅猛發展，“納米醫學”作為一個新興領域由此誕生。在納米技術中所研究的納米顆粒是指粒徑在1～100 nm范圍內的物質和材料，具有很多獨特的特性。隨著對納米藥物、載體及材料等研究的深入，研究者們發現可將納米技術更多的應用于神經生物學基礎研究中。量子點作為一種新型的納米熒光探針，由于其在光學及電學上獨特的特性受到研究者的廣泛關注。雖然目前有關量子點在生物學基礎研究中應用的研究報道很多，但在毒理學，特別是神經毒理學領域的研究相對較少。以下將就量子點在神經毒理學中的應用及其前景進行綜述。

1 量子點及其在生物學中的應用

量子點(quantum dots，QDs)是一種由Ⅲ～Ⅴ族或Ⅱ～Ⅵ族元素組成的，粒徑小于或接近激子波爾半徑的半導體納米微晶體，典型的量子點直徑通常在1～10 nm[1]。量子點的結構一般以一種半導體材料為內核，外面包裹第二種半導體材料。通常內核決定了量子點的光學特性，而外殼則加強了量子點的光穩定性[2]。量子點的種類很多，每種量子點由于其材料、大小、形狀或結構等的不同而表現出不同的光電學特性。目前應用最廣泛的為內核含鎘(Cd)和碲(Te)的量子點，因為它們的量子限制區域橫跨整個光譜[3]。此外，已經報道的量子點種類還有InP量子點、PbS量子點、含硅量子點、CuInS2量子點、Ag2S量子點等[4-8]。由于本身材料特性，它們或有更強的光學穩定性，或有更低的毒性，或有更好的水分散性，從而能適應不同的應用需求。

大約三十年前，量子點首次被發現，由于其獨特的半導體和冷光特性，僅僅被應用于電學領域。在本世紀初，隨著納米科技的不斷進步，量子點優異的光學特性使得其十分適合作為有效的能量供體用于熒光共振能量轉移(FRET)分析。FRET是一個很好的定量測量兩個發光基團間的距離的方法，可以用于觀察蛋白構象變化，監控蛋白相互作用和酶活性。很多研究團隊已經將包被特定生物分子(通常為抗體)的量子點用于免疫檢測[9]。量子點也可用來追蹤細胞，檢測病原體和毒素[10,11]。近年來，量子點技術的發展在癌癥的診斷和治療上帶去了很大的影響。量子點可用于癌細胞定位，探測原發性癌癥及其轉移，識別目標分子，協助治療[12,13]。

此外，生物共軛的量子點還可以靶向結合DNA或mRNA，雜交作為基因探針檢測相關基因。與傳統有機熒光探針相比，量子點表現出更大的耐光性和信號強度。研究顯示量子點熒光探針已經應用于檢測乳腺癌相關基因ERBB2/HER2/神經膜軌跡[14]。但是量子點產生熒光存在閃爍現象，使得信號穩定性較差，另外，量子點表面包覆的寡核苷酸涂層會破壞其長期穩定性，若這些缺點不能得到解決，量子點將失去相較于傳統有機熒光材料的優越地位。

量子點在生物科學上的一項重要應用為活體成像。由于用同一激發光源激發不同尺寸和組成的量子點可獲得從紅到藍的一系列不同顏色的光[15]，尤其是適當組分和大小的量子點可發射近紅外波長(700～2,000 nm)的光譜，組織散射和吸收都較藍綠光低很多，從而能夠得到最大組織穿透深度的光學信號，對于體內深組織，如血管或淋巴管的效果會十分理想[16]。應用量子點可以在醫學上將活體內的生物過程在細胞和分子水平上進行特征的顯示，有利于疾病的無創診斷，有助于制定更合適的治療方案。

與傳統的有機熒光材料相比，量子點有其獨特的優勢，包括：光輻射的大小依賴性，即納米粒子半導體核心的大小變化與光輻射波長之間的相關性，又稱為量子限域；發射高強度高亮度的光信號；光穩定性強，與其他光學顯影劑相比有更長的時間周期；抗漂白能力強；不易被組織自身熒光掩蓋；經修飾后生物相容性好等[16-18]。如果量子點的毒性可以得到控制，這些優勢使得量子點同樣可以作為優秀的熒光探針應用于毒理學的研究中，在分子水平上實時監測或可視化受試化學物對機體生物學過程的干擾以及造成的負面影響；例如在毒物代謝/效應動力學的研究中，量子點可以幫助我們深入了解進入機體的毒物的吸收、分布、代謝和排泄(ADME)過程，提供各主要器官中毒物沉積和排除情況的信息，明確不同毒物作用的靶器官。量子點的應用可以將毒理學研究變得更加簡單有效，而作為毒理學的一個重要分支，量子點將在，或已經在神經毒理學研究中帶來了技術上的革新。

2 量子點在神經毒理學中的應用

2.1 量子點的暴露途徑

Hardman總結了量子點的三條暴露途徑：職業暴露，環境暴露和生物醫學暴露[19]。職業暴露是量子點的主要暴露途徑，其來源有氣溶膠吸入、意外事故、皮膚接觸和經口攝入等。主要暴露人群為量子點生產車間工作者、工程師、研究人員等。通過環境暴露的量子點，由于環境介質的存在，量子點暴露所造成的健康效應要受到環境轉化，環境轉運和環境降解等的影響。生物醫學方面的暴露途徑則是隨著量子點在生物醫學領域越來越多的應用而逐漸受到研究者的關注。但是由于量子點還未被允許應用人體，目前暴露的方法多是針對研究動物的，如腹腔、靜脈注射，灌胃，鼻腔滴注等，而主要暴露的高危人群為進行動物試驗的實驗室研究人員。通過大量的體內和體外實驗研究我們發現一定濃度的量子點可以降低細胞存活率和繁殖率，破壞細胞結構與功能，蓄積于實驗動物主要臟器內造成氧化應激和炎癥損傷，破壞機體免疫系統，還可以影響相關基因和蛋白的正常表達[20]。

進入機體的量子點，由于突出的尺寸效應，可以很輕易地跨越血腦屏障進入中樞神經系統。因而，跨越血腦屏障是存在于循環系統中的量子點進入中樞神經系統的主要途徑之一。除了血腦屏障途徑，已有研究證實，吸入的納米顆粒也可以通過嗅覺神經通路進入中樞神經系統，并轉移沉積于不同的大腦區域[21]。根據此相似納米顆粒的研究結果可以推測，量子點也可能經嗅神經轉運進入中樞神經系統。

2.2 量子點作為神經電動力學探針

近年來，神經科學家一直致力于弄清分子水平上突觸重塑導致學習與記憶的改變，雖然研究者已經明確突觸傳遞的機制依賴于神經遞質受體的橫向運動，但是卻沒有有效的方法追蹤單個突觸膜受體的空間動力學。目前，越來越多的研究者將單量子點追蹤看做一種單分子技術，用于研究神經電動力學。早在2003年，Dahan等[22]首次利用量子點標記單個甘氨酸受體從而檢測其擴散動力學。其后，2007年，De Koninck等[23]運用量子點追蹤突觸上谷氨酸的進出來檢測單個突觸受體的神經回路。該研究在突觸效應機制研究方面的貢獻甚至可能影響我們對于學習與記憶分子基礎的理解。此外，Marshell等[24]研究報導了量子點可以作為熒光傳感器監測神經元細胞膜電壓，其不但有更優秀的熒光性能，還可以彌補傳統熒光傳感器的缺點：無法協同監測大量單個神經元間的強化活動。

同時，量子點還可用于實時可視化監控神經元細胞膜上的電壓門控通道的生理作用。Gómez-Varela等[25]利用與特定抗體結合的量子點揭示并描述了Eag1在大鼠海馬神經元細胞膜上通過Eag1通道的擴散情況，并且發現橫向擴散為Eag1進出突觸為內生性Eag1離子通道的最快的作用機制。該研究為其后通過量子點對細胞膜上電壓門控離子通道活動的深入研究提供了參考依據。

Chang等[26]以量子點標記作為神經信號傳導平臺的RN46A神經細胞質膜脂筏，從而了解脂筏的擴散動力學和模條塊分割。與常用的有機熒光團相比，量子點雖然尺寸相對大了些(有機熒光團的直徑≤1 nm；所用量子點直徑一般10～20 nm)，但卻可以顯著彌補有機熒光團實時追蹤僅僅幾秒鐘的不足。并且，通過兩種方法最終得出的擴散系數區別很小，說明量子點完全可以代替有機熒光團用于單分子追蹤技術。

研究者還發現量子點可以應用于探索海馬神經元細胞膜上蛋白合成過程與新合成蛋白的動力學，并克服了原來只能在同一時間在位可視化一或兩個蛋白的局限性[28]。最近，Arizono等[29]應用量子點單顆粒示蹤來闡明星形膠質細胞中內源性代謝型谷氨酸受體(mGluR5)動力學，從而明確了mGluR5在細胞質膜上橫向擴散對細胞內Ca2+信號的重要性，也為今后繼續研究神經元和星形膠質細胞間作用關系提供新的方法。由此可見，量子點獨特的特性使其有能力作為一種高級的工具應用于研究外源化學物對機體神經系統生理過程中神經電動力學方面的影響。

2.3 量子點標記神經細胞

量子點作為一種優秀的納米級熒光材料，標記細胞可以作為其一項主要功能。早在2011年，國內實驗室已經成功以量子點標記、追蹤神經干細胞，并且確定量子點對神經干細胞分化能力和由神經干細胞分化的神經元和星形膠質細胞的蛋白表達沒有明顯影響[30]。Minami等[31]研究顯示量子點可以用于特異性地標記和調節體外原代培養腦皮層和活體動物腦部的小神經膠質細胞，并且其熒光效果可維持較長時間。小神經膠質細胞為腦內原位免疫細胞，廣泛參與各種腦損傷和神經障礙，然而它們在腦部不同生理病理學狀態下的作用還不清楚。量子點對小神經膠質細胞的標記幫助闡述了其在生物活性物質傳遞中的作用機制，從而便于選擇合適的藥物完善小神經膠質細胞的功能，治療神經系統疾病。

經過特殊修飾的量子點通過適當的方法也可以在活體內標記神經系統細胞。Slotkin等[32]應用新穎的母體子宮內電穿孔和超聲定位的技術，在活體上直接高效地以量子點標記哺乳動物發育中的中樞神經系統里的神經干細胞，并且其沒有表現出長期副反應。該研究證實了量子點可以應用于哺乳動物活體發育過程中原基分布圖繪制、細胞遷移和神經干細胞分化的研究。此外，量子點獨特的理化性質還可以使其標記的神經細胞呈現獨特的表現。Rao等[33]發現生物分子功能化的CdSe量子點可以根據特定方向自我裝配，從而促進神經細胞生長和分化呈現極化現象。該特性也可用于探索細胞定位、成像和生物傳感等。

2.4 量子點追蹤生物活性分子

能夠有效地將細胞間或細胞內的生物活性分子可視化從而監視追蹤一直是生物學研究的一個重要目標，也是毒理學中外源化學物導致生物效應的作用機制的研究基礎。在分子神經科學領域，研究者們發現單量子點技術可以在單分子水平上很好地追蹤調查神經細胞膜蛋白[34]。目前，量子點作為熒光探針在標記活體中或體外培養中的神經生物活性分子上已經取得了很大的突破。神經生物活性分子連接上量子點后，神經系統中的神經遞質的釋放和受體的遷移等可以被很好的實時追蹤。最近，Levi等[35]的一篇研究計劃就描述了量子點可以作為一種高敏感性方法用于長時間追蹤神經細胞膜受體活動，從微觀角度探索細胞膜上分子運動。

圖2 在原代培養的大鼠腦皮層組織中，量子點(紅色)主要被標記了anti-CD11b(綠色)或Anti-lba-1(綠色)的抗體內在化；細胞核被DAPI標記(藍色)[31]Fig. 2 In mixed primary cortical cultures from rats, QDs (red) were internalized primarily by microglia labeled with anti-CD11b (green) or anti-Iba-1 (green) antibodies. Nuclei were labeled with DAPI (blue)[31]

圖3 量子點的長期表達；量子點注射入C57BL/6小鼠海馬體7天后的觀察圖(A)與28天后的觀察圖(B)[31]Fig. 3 Long-term expression of QDs. QDs are observed 7 days (A) and 28 days (B)after injection into the hippocampus of adult C57BL/6 mice[31]

圖4 (A)實時圖像顯示了量子點的兩種轉送運動。白色箭頭指示單個BDNF-核內體；白色三角指示了三個量子點標記的BDNF在類MVB結構中同時運動。(B)一個波動曲線記錄儀記錄了三個量子點標記的BDNF在類MVB結構中的并發運動和停頓模式[39]。Fig. 4 (A) Time-lapse images showing both transporting modes. White arrows indicated an individual BDNF-endosome while white arrow heads denoted three QD-BDNF moving together in a MVB-like structure.(B) A kymograph clearly showed the concurrent moving and pausing patterns of the three QD-BDNFs in a MVB-like structure[39].

量子點在標記追蹤神經遞質受體方面已有的研究還有很多。Park等[36]應用了與親和素(NTV)生物共軛的量子點來探測海馬神經元上分布的絡氨酸激酶B(TrkB)受體，并發現TrkB受體在神經元胞體上分布集中，而在軸突上卻呈點狀分布。因而，特定功能化的量子點可以用于建立神經元的納米尺寸三維結構形態。Geng等[37]已經應用鏈霉親和素共軛的量子點單分子標記追蹤乙酰膽堿受體，從而證實肌肉細胞上受神經突觸刺激后產生的乙酰膽堿受體裝配集群反應經由兩種明顯不同的分子過程：細胞膜上的受體布朗運動和突觸特化作用下的捕獲與固定。

此外，神經系統中還有許許多多的生物活性分子的運輸與作用也可以通過量子點一一弄清。Osakada等[38]應用量子點在全內反射顯微鏡上實時可視追蹤了高空間和時間分辨率的背根神經節上神經生長因子運輸。Xie等[39]發現被量子點標記的腦源性神經營養因子(BDNF)，能夠毫無影響地被軸突終末的受體識別接受進入海馬神經元細胞。BDNF在中樞和外周神經系統生長、發育和維持中扮演著重要的角色。為了能夠了解BDNF信號的傳播，追蹤BDNF進出軸突終末會是很有效的方法。量子點優越的光亮度與光穩定性更使得對該蛋白的追蹤更清晰和長效。

目前，Chang等[40]已經系統綜述了已有的量子點在分子神經學中的應用，其不但可以標記神經元受體和轉運蛋白，還可以用于研究目標蛋白與神經細胞的結合后揭露潛在的神經信號機制所造成的特定生理反應，為未來量子點在神經生物學和藥理學研究中的應用提供了指南。但該應用還有一定的局限性，目前無法做到在不引起后續細胞反應的前提下標記目標蛋白。

2.5 量子點的實時成像功能

活體成像一直被認為是量子點在生物科學上最重要的應用。由于目前使用的實時成像中使用的熒光材料或熒光蛋白都存在很強的光漂白現象，量子點卓越的光穩定性可以很好地解決此問題。優秀的體內成像將活體內的生物過程在細胞和分子水平上進行特征顯示，有利于無創診斷外源化學物所導致的負面健康效應或系統疾病。

已有研究顯示量子點可以用于視網膜變性大鼠的完整神經視網膜組織的標記和成像，特別在構造膠質瘢痕和膠質增生上顯示了量子點的突出性能[41]。Kantelhardt等[42]發現將上表皮生長因素(EGF)或單克隆抗體(MAb) anti-EGFR修飾的量子點用于特異性神經膠質瘤活組織檢測，可以在單細胞水平上從正常大腦組織中顯著區分出原位神經膠質瘤細胞，并且成像時不需要加強的MRI檢測圖像。若量子點被允許應用于人體，該性能將更好地用于術中指導切除殘留的腫瘤細胞，提高病人存活率。

圖5 一間膠質瘤Ⅱ期的MRI影像(A)和量子點為探針的數字低倍放大影像(B-E)[42]Fig. 5 MRI (A) and QD-probe digital macroimages (B-E) from glioblastoma multiforme, grade IV biopsy X[42]

此外，量子點同樣能用于哺乳動物中樞神經系統神經突觸前端單個突觸囊泡的成像，從而更敏感準確地監測神經突觸的運動[43]。神經突觸傳導期間使用了胞外分泌的兩種模式：稱為經典模式的全衰竭的融合(FCF)，即完全的囊泡融合，以及一種不完全的囊泡融合形式，被稱為“吻與跑”(K&R)。 然而，傳統的熒光探針很難實時以及高分辨率地區分并確定突觸囊泡的這兩種運動和行為。Zhang等[44]利用羧基修飾的量子點使得以納米精確度在三維空間實時監測區分囊泡運動成為可能。由于量子點的尺寸只能通過FCF的融合孔，而不能通過K&R的，FCF能夠被觀察到一個突發的并且徹底的熒光性損失，從而區分兩種運動。雖然量子點在實時成像方面的應用還有很多問題有待解決，但同樣昭示了其具大的潛力，值得研究者深入發掘。

2.6 量子點在外源物質轉運中的運用

早有報道，量子點可以攜帶藥物治療特定疾病[45]，其特異性和長期作用等優點使其在外源物質轉運，尤其是藥物轉運中發揮了越來越重要的作用。然而，如要攜帶外源物質進入腦部的中樞神經系統還將面臨一個最大的阻礙——血腦屏障(BBB)。血腦屏障作為一個復雜的生理檢查站，具有很高的選擇性，可以阻止血液中的很多異物從血液向中樞神經系統擴散。然而由于量子點的直徑為1～10 nm，Kato等[46]研究發現經CdSe/ZnS修飾的量子點腹腔注射6小時后可經血循環進入實驗小鼠的肝臟、脾臟、腎臟和大腦。雖然量子點主要集中在肝臟、腎臟和大腦的血管中，但依舊有少量在大腦實質分布。

圖6 量子點在海馬體中熒光圖像(右)與發射光譜(左)；ROI1為粒子值，ROI2為背景值[46]Fig. 6 Fluorescence image (right) and emission spectral profile (left) of QDs in hippocampus. In each figure, ROI (region of interest) 1 was placed on the particle, whereas ROI 2 was placed on the background[46]

圖7 轉鐵蛋白修飾的量子點跨越血腦屏障示意圖。熒光圖顯示內皮細胞與星形膠質細胞攝取入量子點[48]Fig. 7 Visulizing the trancytosisi of QDs-Tf across BBB real-time. The endothelial cells and astrocytes were imaged by laser scanning confocal microscope to confirm the uptake of QDs by both cells[48]

Walters等[47]在體外培養海馬神經切片模型上以多聚兩性電解質CL4修飾的量子點靶向神經元，發現量子點可以攜帶生物活性物質進入特定的神經元亞細胞空間，并且即使量子點暴露1年后，也沒有明顯的毒性反應。揭示了量子點攜帶外源活性物質進入中樞神經系統的突出貢獻。Xu等[48]研究討論了經特異生物分子功能化的量子點攜帶藥物跨越血腦屏障進入大腦治療HIV相關腦病。量子點攜帶藥物轉運入腦不但提高了藥物利用率，減少藥物使用劑量，降低不良反應率，還可以特定腦內區域做靶向治療。同時由于量子點的熒光特性，我們更可以追蹤藥物在大腦中的轉運，一舉多得。

轉運的外源物質除了藥物，還可以是基因信息。Bardi等[49]發現氨基修飾的量子點混合SiO2納米顆粒具有優秀的能力結合、轉運、釋放DNA進入人類神經母細胞瘤SH-SY5Y細胞，允許GFP質粒轉染。目前，量子點在神經毒理學領域的應用大致可分為以上五種，但我們相信，隨著量子點研究的逐漸深入，其應用面將越加廣闊。

3 影響量子點應用的因素

若要使量子點能夠在機體神經系統，尤其是中樞神經系統研究方面發揮作用，量子點首先要能夠順利進入神經系統。量子點由于體積微小和特殊的理化性質，可以很輕易地跨越血腦屏障進入中樞神經系統。可以說跨越血腦屏障(BBB)是存在于循環系統中的量子點進入中樞神經系統的主要途徑。并且有研究結果顯示，如果將量子點進行一定的表面修飾，可以明顯提高進入腦組織的量子點數量[50]。除了血腦屏障途徑，吸入的納米顆粒也可以通過嗅覺神經通路進入中樞神經系統，并轉移沉積于不同的大腦區域[21]，但由于大鼠與人明顯不同的生理和解剖特點，這就使得實驗動物的結果外推到人存在一定的局限性。除了嗅神經可以轉運納米顆粒外，三叉神經發出的感覺神經末梢貫穿于鼻腔粘膜及嗅粘膜，呼吸暴露后鼻腔沉積的納米顆粒可以直接經末梢神經轉運入腦[51]。目前，該途徑受到的關注不多，但該神經途徑在今后可能的鼻吸量子點的研究與開發上有重要的意義。

以往大量研究可知，量子點的毒性大小和諸多因素有關，包括選用的化學材料、粒徑大小、結構、修飾材料等[52]。而在量子點的應用中，同樣有諸多因素會影響量子點或標記、或成像的能力。首先，由于越來越多的研究者將目光放到了量子點活體成像的應用上去，以求最大程度的發揮量子點的優越性能，量子點的毒性大小就變得至關重要。由于不同器官組織對毒性的耐受性不同，我們可以根據需要成像的部位不同對所用量子點的優缺點進行適當取舍，選擇最好的平衡點。

如上文中提到，為了使量子點能更好的適應不同的應用環境，我們常常需要對其進行表面修飾，而該涂層常常決定了膠質穩定性，不同溶劑的溶解性，物理特性和細胞毒性，因而，表面修飾涂層的化學性質和結構對量子點應用于生物成像至關重要。Bakalova等[53]發現無交聯PAMAM化合物和氨基官能化的CdSe/ZnS量子點不適合活體脈管系統成像，因為其不但具有細胞毒性且無生物相容性，而且可以滲透入血管，影響成像質量。而交聯羧基的CdSe/ZnS量子點則更適合體內成像，因為此量子點將變得低毒并有良好的生物相容性。

該研究小組又以硅殼的量子點深入實驗，發現聚乙二醇(PEG)化是提高量子點成像能力不可缺少的一步。無PEG修飾的量子點膠質穩定性較低，易降解。PEG修飾既沒有顯著增加量子點的尺寸，又增加了其在循環中的半衰期。并且當其濃度達到2.5 nmol/kg體重時，也沒有影響機體生理指標，如血壓，心跳等，因而，PEG修飾的量子點十分適合活體動物的毛細血管成像，調查影響血管收縮、舒張和腦血循環的各項因素。Gao等[54]也通過實驗建立了包裹PEG涂層的量子點活體大腦成像平臺，該經過很好修飾的量子點通過鼻吸轉運進大腦，表現出優越安全的腦靶向和成像性能。

量子點的尺寸同樣是決定量子點在何種情況下應用的一項重要因素。雖然量子點的尺寸只在1～10 nm之間，但是由于其多用于研究分子作用，即使很小的差距在應用上也可能產生很大的差異。例如為了能夠替代常用的有機熒光團用于成像，量子點需要根據成像的部位、細胞或組織選擇合適的與所用的有機熒光團尺寸大小最接近者，以求獲得最接近或更準確的研究結果。

4 展 望

大量的研究結果已經顯示，量子點在神經毒理學研究中有著廣闊的應用前景。量子點優越的光電學特性使其能用于可視化、測量與追蹤單分子物質，并在較長的時間段內(與有機熒光團相比)研究分析動態的分子過程，這些都是很難通過其他科技方法獲得的。不可否認，量子點將作為更簡單有效的研究方法在常規神經毒理學實驗與醫療中逐漸得到應有的重視。

但是，目前量子點在此方面的研究只單純停留在理論或動物實驗階段，依舊存在很多問題阻礙了量子點在生物學分支領域的廣泛應用。大量研究顯示了量子點的細胞毒性和對細胞結構功能的損傷，在活體動物上進行的量子點研究也顯示了其對機體的負面生物效應，如氧化應激損傷、免疫反應等；更在分子水平上探討了量子點的毒性機制問題，如量子點會導致凋亡相關的蛋白和基因表達異常，促進細胞死亡[20, 55]。因而若要使量子點可以通過審批，應用于人體，如何降低其毒性，明確進入機體的最佳濃度等將成為今后量子點生物安全性的研究重點。

此外，與現有的熒光探針相比，量子點相對較大的尺寸降低了其標記細胞分子的穩定性，并且降低了大規模的組織滲透性。除了尺寸效應外，量子點進入機體是否有可能產生抗體，以及溫度和環境pH值對其穩定性是否存在影響都還并不清楚。另外，由于應用于生物體的量子點通常需要在表面包裹涂層以增加生物相容性，但是涂層的化學物理性質在不同情況下對量子點的應用效果和毒性的影響并不清楚。許多應用量子點于免疫熒光檢測試驗的結果顯示其敏感性顯著低于其他分析試驗。而究其原因是實驗設計的固有弱點，或應用的抗體，還是量子點合并的結果，都還需要進一步調查研究。

由此可見，雖然量子點優越的光電學特性使其在生物學分子成像等方面的能力毋庸置疑，但是只有克服上述問題，解決潛在憂患才能保證量子點應用于人體，在疾病的診斷和治療上做出突破性的貢獻。因而，我們還需要更多優秀的實驗數據更好地理解量子點與生物系統間的相互作用，已達到其最有效的應用效果。不可否認，我們還有很長的一段路要走。

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Applications and Perspectives of Quantum Dots in Neurotoxicology

Wu Tianshu, Tang Meng*

Key Laboratory of Environmental Medicine Engineering, Jiangsu Key Laboratory for Biomaterials and Devices, School of Public Health, Southeast University, Nanjing 210009, China

Received 17 May 2014 accepted 20 June 2014

With the rapid development of nanotechnology, quantum dots (QDs), as a new type of nano-fluorescence probes, have been widely used in biology and toxicology due to their unique photoelectric properties. Moreover, QDs have introduced a technological innovation in the field of neurotoxicology, which as an important branch of toxicology. The primary focus of this review is the application of QDs in neurotoxicological studies as a novel single molecular technology and an excellent fluorescent probe. The routes of QDs entering into the nervous system and potential factors that could impact QDs’ applications were also briefly introduced here in order to guide further related researches on the biosafety and better applications of QDs.

nanotechnology; quantum dots; neurotoxicology; fluorescence probe; drug delivery

國家自然科學基金(30972504，81172697，81302461)；國家重大科學研究計劃項目(2011CB933404)；江蘇省基礎研究計劃 (No. BK2011606)

吳添舒(1989-)，女，博士研究生，研究方向為納米毒理學，E-mail: ninatshwu@gmail.com；

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: tm@seu.edu.cn

10.7524/AJE.1673-5897-20140517001

2014-05-17 錄用日期：2014-06-20

1673-5897(2015)3-001-10

X171.5

A

唐萌(1958-)，男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為納米毒理學。

吳添舒，唐萌. 熒光量子點在神經毒理學研究中的應用及前景[J]. 生態毒理學報，2015, 10(3): 1-10

Wu T S, Tang M. Applications and perspectives of quantum dots in neurotoxicology [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2015, 10(3): 1-10 (in Chinese)