量子點（QDs）生物毒性的研究進展

陳 行，葛海龍*

（1.重慶豐都農業科技發展集團有限公司博士后科研工作站，重慶市 408200；2.豐都縣農業農村委員會，重慶市 408200）

量子點（Quantum dots，QDs）指可自發熒光，粒徑在2-10 nm的半導體納米晶體。常見的QDs由Ⅳ、Ⅱ-Ⅳ和Ⅲ-Ⅴ族元素組成，例如碳點、InP QDs和CdSe QDs等[1]。QDs具有性質穩定、生物毒性小、顏色豐富等優點，目前廣泛應用于生物成像、發光元件制造和污染物監測等方面[2]。

QDs主要通過血液循環進入動物體內，暴露方式可影響量子點在生物體內的富集，但總體無較大差異，例如經過腹部皮下注射和尾部靜脈注射處理后的小鼠，QDs都富集在內臟器官肝、腎、脾中，其中少部分還沉積在心臟和肺部，極少量會跨越血-腦屏障，在腦中積累[3]。除此以外，QDs還可跨越血-睪或血-卵屏障，在性腺（精、卵巢）中積累，影響睪丸、卵巢和胎盤的發育。但是相關研究均證實QDs不隨精子、卵子直接從親本傳遞給子代[4]。諸多因素會影響QDs的毒性，包括元素組成和粒徑大小等，通過聯結配體可降低QDs毒性。目前QDs毒性作用機制尚未明晰，極大地限制了其在生物醫學方面的應用，因此本文旨在總結國內外QDs毒理學研究，并對可能的毒性作用機制進行推測。

1 QDs的應用

QDs相比傳統化學染料具有發光時間長，性能穩定等優點，但與環境中的Fe2+等離子接觸后，容易產生熒光猝滅或發光光譜改變的現象。由此，QDs可被制成光傳感器來檢測水體中部分金屬離子的含量[5]。QDs對離子的識別具有特異性、反應迅速和準確度高的優點，QDs傳感器的特異性受到表面配體的影響，除去能檢測金屬離子外，通過更換QDs表面配體還可對NO2-等非金屬離子的含量進行檢測[6]。

除此以外，還能應用于醫學檢測、生物體內成像和納米醫療[7]。QDs主要通過胞吞的方式進入細胞，被溶酶體消化后釋放，最終散布在細胞質中，因此將QDs和藥物聯結可提高藥物的定位效果，同時還可增強藥效，提高對靶向細胞的殺傷作用[8]。例如聯結抗癌藥物阿霉素DOX和CQDs，處理HeLa細胞可將其細胞活性降至21%，而單獨使用阿霉素僅能降至50%。在體內實驗中，聯結物主要富集在腫瘤處，腫瘤的生長受到明顯抑制，單獨使用阿霉素的情況下，腫瘤卻還能繼續生長[9]。此外Kang等發現，GQDs能夠促進細胞自噬以及恢復部分受損的自噬功能，使得溶酶體中堆積的異常膽固醇減少，最終減輕C型尼曼氏病（神經性疾病）發病后帶來的損傷[10]。

2 QDs的生物毒性

經由不同的暴露方式（投喂、氣溶膠暴露、尾部靜脈注射和腹腔皮下注射）處理，QDs可穿越細胞屏障、血-氣屏障、血-睪屏障等，聚集在肝臟、腎臟、脾臟、生殖腺等器官中，QDs甚至能跨越血-腦屏障，極少量地進入動物腦部。在暴露后的短時間內，QDs首先集中于暴露位置，其后經血液循環進入各器官。

泌尿系統由腎、輸尿管、膀胱和尿道組成。其中，腎臟發揮著重要作用，清除血液中的雜質，將代謝廢物通過尿液排出體外，同時，具有重吸收作用，調節水鹽平衡。腎臟可能是最先處理QDs的器官，在大鼠（Rattus norvegicus）的尾部靜脈注射QDs的試驗中，1 h后的尿液中即可檢測到熒光，而在其他器官中未發現。腎臟作為代謝QDs最快的部位，在短時間內QDs含量升高，后續含量遠低于肝臟，而應對損傷的能力卻不如肝臟細胞，通過比較細胞活力和氧化脅迫程度等，發現CdTe QDs對腎臟細胞造成的損傷強于肝臟[11]。

消化系統由消化道和消化腺組成，消化道起至口腔，終至肛門，消化腺包含唾液腺、胃腺、肝胰腺和腸腺，其中肝胰臟借助導管將分泌物排入消化管內參與食物的消化吸收。QDs引起的消化系統損傷研究也主要集中在肝臟損傷上。QDs暴露會引起小鼠炎癥因子、氧化標志物和肝臟損傷標志物增多[12]。在肝臟細胞LO2中，CdSe/ZnS QDs激活NLPR3炎癥小體，引發線粒體ROS（mtROS）的產生和胞內Ca2+含量的上升，通過使用Ca2+釋放抑制劑可緩解QDs誘發的細胞焦亡。但使用該QDs處理NLRP3敲除小鼠仍能引起mtROS含量上升、肝損傷和肝功能紊亂，僅能通過使用mtROS消除劑Mito-TEMPO減輕被處理小鼠的癥狀。通過注射NAC（N-acetyl-l-cysteine，ROS清除劑）同樣能夠明顯削減QDs的肝臟毒性[13]。

生殖系統作為生物體重要的組成部分之一，在繁殖過程中起著重要作用，而QDs能夠穿過血-睪屏障或血-卵屏障，這不得不令人擔憂QDs引發的生殖系統毒性和遺傳毒性。讓經過QDs處理的雌性昆明小鼠和未處理的雄性昆明小鼠自由交配，發現QDs雖然被胎盤屏障阻隔后無法進入胎兒體內，但是QDs對其胎盤造成影響后導致了胎兒的畸形[14]。推測胎盤阻礙QDs進入胚胎，QDs不直接進入后代產生作用，但積聚于胎盤，胎盤受損后對后代的營養供應受到影響，從而減緩子代發育。CdSe/ZnS QDs暴露導致小鼠精巢固有層變薄、間質破損和輸精管畸形、精原細胞的DNA雙鏈斷裂、減數分裂進程受阻和細胞凋亡等情況，最終引發精子生成減少，而通過抑制細胞自噬能夠明顯減少QDs產生的毒害作用，精子生成能力部分恢復[15]。高濃度CdTe QDs（2nmol）暴露處理60 d后，發現雖然小鼠精子數量和移動能力與空白組無明顯差異，但是精子頂體完整性降低，低濃度的（0.2nmol）QDs不產生明顯影響，使被處理過的雄性小鼠與未處理雌性小鼠交配，卻并沒有發現這會對后代產生影響[16]。

QDs處理雌性親本后均會造成子代發育遲緩，處理雄性親本后影響精子生成，然而再與正常雌性產生后代后對子代影響很小，這可能與精子受損后精子活力下降，精卵結合時異常精子競爭能力變弱，多是正常或受損程度較輕的精子與卵子結合產生后代有關。

QDs還會對神經系統和呼吸系統造成影響。QDs影響與葡萄糖代謝有關的檸檬酸循環、乙醛酸代謝和氧化磷酸化等通路，引起神經細胞產生炎癥反應。QDs處理還會引起Smad6基因上啟動子發生甲基化，進而激活BMP通路，最終抑制神經的形成和分化[17]。CdSe QDs暴露導致人支氣管上皮細胞的DNA雙鏈發生斷裂，引起促炎癥因子基因表達上調，CdSe QDs還可引起NHBEs細胞產生氧化應激、線粒體功能受損以及明顯的DNA雙鏈斷裂[18]。

QDs毒性強弱受到多種因素影響：組成成分、外殼、配體等。QDs經過紫外線照射或酸性環境等條件下，內核釋放，散發毒性，而QDs毒性作用不單單來源于內核釋放。從組成成分出發，非重金屬組成的InP、Si和C等組成的QDs毒性相較于CdSe等QDs毒性顯著降低，但其生物毒性仍不可忽略[19]。給QDs加上ZnS等外殼后既能增強QDs發光性能，又能降低QDs的毒性作用，然而有文獻指出外殼中Zn2+等離子的釋放可能會影響細胞的離子穩態[20]。QDs的配體影響QDs帶電性質，帶正電荷的QDs毒性明顯強于帶負電荷的QDs，這可能是因為帶正電荷的QDs更容易積聚在生物體內，同時部分配體本身也具有毒性作用，例如常用的巰基丙酸。

QDs的粒徑大小也影響其毒性強弱，文獻指出大于5 nm的QDs毒性弱于小于5 nm的QDs，這可能是因為小粒徑的QDs更容易進入細胞[21]。細胞通過胞吞的方式攝入QDs，然后呈遞給溶酶體。溶酶體中的酶消化QDs，卻會產生過多ROS，ROS破壞溶酶體膜，進而進入細胞基質中。游離的QDs表面活性很強，與細胞基質中的水分子等反應，進一步誘導ROS產生。以上兩步產生的ROS進攻胞內細胞器，造成線粒體和內質網等形態和功能異常，在高濃度暴露下時，QDs甚至能進入細胞核，攻擊DNA雙鏈，導致DNA雙鏈斷裂。當胞內ROS超過細胞承受能力時，線粒體膜破壞，內容物外流，誘發細胞自噬產生，此時可觀察到胞內自噬小體的形成。而通過使用ROS清除劑，自噬抑制劑可明顯減弱QDs的毒性作用，與此類似，通過抑制內質網中未折疊蛋白的合成同樣可以降低QDs毒性作用[22]。

綜上所述，本文對QDs的毒性影響因素、作用機制等進行綜述，重點闡述了其損傷作用和作用機制，并對當前研究進行分析。目前，關于QDs的毒性作用機制尚不明晰，推測主要毒性作用來源于有毒重金屬內核的釋放和誘導過多活性氧的產生，但有待進一步研究。