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上海應(yīng)物所鎘系量子點(diǎn)細(xì)胞毒性研究取得系列進(jìn)展

[2012/1/16]

量子點(diǎn)是一種具有卓越熒光性能的新型納米材料，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，如何解決量子點(diǎn)，特別是發(fā)光效率最高的鎘系量子點(diǎn)的生物相容性問題，成為這種納米材料臨床應(yīng)用的瓶頸問題，其研究受到廣泛關(guān)注。

中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的黃慶和樊春海課題組對鎘系量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，相關(guān)研究工作受到國際同行關(guān)注，并于近期應(yīng)邀在生物材料領(lǐng)域的著名雜志《生物材料》（Biomaterials，2012，33，1238-1244）發(fā)表觀點(diǎn)論文（leading  opinion  paper）The  cytotoxicity  of  cadmium-based  quantum  dots（鎘系量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性）。結(jié)合課題組最新的研究結(jié)果，系統(tǒng)討論了鎘系量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性及其作用機(jī)制，并對該領(lǐng)域的相關(guān)研究工作進(jìn)行了總結(jié)與展望。

研究人員系統(tǒng)比較了三種不同結(jié)構(gòu)的鎘量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性，發(fā)現(xiàn)CdTe量子點(diǎn)具有很強(qiáng)的細(xì)胞毒性，而使用核殼結(jié)構(gòu)包裹的量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性則顯著降低，特別是具有硫化鋅外殼保護(hù)的CdTe/CdS/ZnS雙層外殼量子點(diǎn)，幾乎沒有明顯毒性，提示鎘系量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性與其在胞內(nèi)解離的鎘離子濃度直接相關(guān)（Biomaterials，2009，30，19–25）。進(jìn)一步的研究則表明，CdTe量子點(diǎn)引發(fā)的細(xì)胞毒性遠(yuǎn)高于同等濃度的游離鎘離子，因而僅僅從鎘離子的重金屬毒性效應(yīng)來考慮CdTe量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性是不夠的。這提示了納米材料的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)可能造成所謂的“納米毒性”（Biomaterials，2010，31，4829-4834）。

隨后，物理生物實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過基因芯片的方法系統(tǒng)比較了CdTe量子點(diǎn)和CdCl2分別引發(fā)的基因表達(dá)變化，發(fā)現(xiàn)二者具有明顯的相似性。為了揭示這種特別的納米效應(yīng)，研究人員利用上海同步輻射光源中先進(jìn)的軟X-射線細(xì)胞顯微成像技術(shù)(synchrotron-based  soft  transmission  X-ray  microscopy，STXM)，對CdTe量子點(diǎn)的亞細(xì)胞定位進(jìn)行了精確成像，發(fā)現(xiàn)CdTe量子點(diǎn)明顯富集在細(xì)胞核的周圍，透射電鏡（TEM）結(jié)果也證明了CdTe量子點(diǎn)在細(xì)胞內(nèi)的不均一分布。這種納米粒子在細(xì)胞內(nèi)的不均一分布模式產(chǎn)生了顯著的納米效應(yīng)，使得細(xì)胞核周圍產(chǎn)生遠(yuǎn)高于胞內(nèi)其它地方的鎘離子濃度，而CdTe量子點(diǎn)表面尚未游離的鎘離子也可能通過與核的直接接觸而產(chǎn)生顯著的細(xì)胞毒性（Biomaterials，2012，33，1238-1244）。

綜合已有結(jié)果，研究者提出鎘系量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性來源于其解離或存在于表面的鎘離子，而量子點(diǎn)在細(xì)胞內(nèi)的分布極大影響了其細(xì)胞毒性。此項研究對系統(tǒng)地理解量子點(diǎn)的生物安全性問題提供了新的機(jī)制，有望對量子點(diǎn)在生物成像、醫(yī)學(xué)診斷和治療中的應(yīng)用與防護(hù)起到指導(dǎo)性作用。