詹慶玲，唐 萌

（東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境醫(yī)學(xué)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，江蘇南京210009）

表面修飾對量子點毒性影響的研究進(jìn)展

詹慶玲，唐 萌

（東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院環(huán)境醫(yī)學(xué)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，江蘇南京210009）

量子點（QD）因其優(yōu)良的光譜特性已在生物學(xué)中獲得廣泛應(yīng)用并有最新研究進(jìn)展，如QD在細(xì)胞標(biāo)記、活體和組織成像和光動力學(xué)治療等生物學(xué)中的應(yīng)用。隨著其在科學(xué)研究中的應(yīng)用越來越廣泛，其潛在的生物學(xué)負(fù)效應(yīng)和（或）毒效應(yīng)也引起了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，成了近年研究的熱點。于是圍繞降低QD毒性以進(jìn)一步推廣應(yīng)用做了多方面的研究，本文簡要闡述了QD的基本特性，QD在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及其潛在的毒性；重點闡述了幾類對QD的表面修飾，以及各種表面修飾對降低QD毒性的作用；最后，對該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究進(jìn)行了展望。

量子點；毒性作用；修飾

DO l：10．3867／j．issn．1000-3002．2014．01．019

1 量子點的物理化學(xué)性質(zhì)

目前，有很多納米材料已被廣泛運用于生物學(xué)中，其中應(yīng)用前景最為廣闊的是量子點（quantum dots，QD），又稱半導(dǎo)體納米微晶體。雖然自然界中天然形成和工業(yè)制造過程中產(chǎn)生的納米粒子大量存在，但是經(jīng)由人工合成的QD有其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。QD的不同之處源于晶體類金屬的核心結(jié)構(gòu)和量子尺寸的約束。在結(jié)構(gòu)上，一個QD由一個晶體類金屬核心和一個可以將核物質(zhì)性質(zhì)鈍化及提高QD生物相容性的“帽”或“殼”組成。QD核心是由半導(dǎo)體、重金屬和磁性過渡金屬等各種各樣的金屬配合物構(gòu)成。如周知，Ⅲ～Ⅴ族系列的QD是由磷化銦（InP）、砷化銦（InAs），砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）構(gòu)成的非金屬核，Ⅱ～Ⅳ族系列的QD是由硫化鋅（ZnS），硒化鋅（ZnSe），硒化鎘（CdSe）和碲化鎘（CdTe）組成的核心［1］。結(jié)構(gòu)更新，粒徑更大的QD合成路徑（如CdTe＠CdSe，CdSe＠ZnTe）以及核心由不同族之間雜合而成的QD〔如硒化鉛（PbSe）〕也已經(jīng)形成［2］。在尺寸上，QD三維尺寸小于或者接近激子波爾半徑（一般直徑不＞10 nm），外觀恰似一極小的點狀物體，是準(zhǔn)零維（quasizero-dimension）納米材料。QD內(nèi)部電子在各方向上的運動均受限，電子態(tài)呈量子化分布，顯著的量子限制效應(yīng)（quantum-confinement effect）使其能帶形成了具有分子特性的分立能級［3］。因此，QD和一些大分子具有相似的光學(xué)性質(zhì)。QD納米級的小粒徑不光為其帶來了量子限制效應(yīng)，也導(dǎo)致了其獨特的表面效應(yīng)［4］。隨著粒徑的減小，QD表面的原子數(shù)迅速增加。由于表面原子周圍缺少相鄰的原子，就會有許多懸空鍵產(chǎn)生，這些懸空鍵具有不飽和性，容易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，因此，QD的表面又表現(xiàn)出了很高的化學(xué)活性。

2 量子點在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及其潛在的毒性

納米材料在納米級大小、物質(zhì)的屬性變化很大，使其擁有優(yōu)越的機(jī)械、熱、電、磁和光學(xué)特性，可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛運用。QD熒光納米顆粒是具有獨特的光物理特性的半導(dǎo)體納米材料，優(yōu)于生物醫(yī)學(xué)成像常用的有機(jī)染料和蛋白質(zhì)。首先，QD可以通過改變其尺寸大小來調(diào)整發(fā)射波長，它的發(fā)射波長范圍從紫外到近紅外。QD有廣泛的吸收光譜和較窄的發(fā)射光譜，可以用于多路復(fù)用成像，發(fā)出不同顏色光的QD可以被相同波長的光所激發(fā)［5］。其次，QD表面可攜帶活性組織這一生物功能，為執(zhí)行目標(biāo)傳遞任務(wù)提供了便捷；如QD可以和生物分子共軛連接，納入藥物載體系統(tǒng)，用于組織工程的機(jī)械支架。綜合以上所述屬性，連同QD更高的靈敏度，量子產(chǎn)量、耐光性、化學(xué)穩(wěn)定性、摩爾消光系數(shù)和緩慢的衰變速率，可以使它們成為理想的實時、長期、多模式生物醫(yī)學(xué)成像的探針［6］。

QD毒性是將其運用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個主要障礙。前人已對QD的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，但很少有關(guān)于QD對人類健康潛在的有害影響。除了QD的物理和化學(xué)性質(zhì)外，它們的毒性與生物學(xué)行為通常由其他3個條件決定［7－9］：①Q(mào)D核心材料本身。由于QD核心材料組成類型的多樣性，與其毒性相關(guān)的報道也是各有千秋。這也決定了它們的潛在毒性各有不同。如核心是CdTe的QD，當(dāng)它們進(jìn)入到生物體后，如毒性很強(qiáng)的重金屬鎘離子在體內(nèi)釋放出來，可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的生化變化，包括JNK的激活，線粒體膜電位的喪失、線粒體細(xì)胞色素c的釋放以及胱天蛋白酶9和胱天蛋白酶3的激活等一系列的氧化應(yīng)激反應(yīng)［10］，最終會導(dǎo)致大多數(shù)細(xì)胞的死亡。②QD的表面修飾物。如上所述，一個QD通常情況下由一個核心和一個外殼或其他表面修飾物組成，其表面修飾物的特性決定其毒性。③QD的外部環(huán)境條件。存在于QD顆粒和其外在特殊條件之間的分子間的相互作用。如氧化、光解和機(jī)械穩(wěn)定性，使得QD發(fā)生降解，導(dǎo)致“額外”的毒性。研究發(fā)現(xiàn)，在不影響QD的熒光特性、生物兼容性以及QD的其他特殊優(yōu)越性能外，通過表面修飾來降低QD毒性是一種實用性較強(qiáng)的方法。不同的表面修飾對QD毒性的影響不同，但從總體上來看，表面修飾是可以降低QD毒性的。下文將詳細(xì)介紹幾類表面修飾方法對QD毒性降低的影響。

3 量子點表面修飾方法

3．1 采用核殼結(jié)構(gòu)修飾

3．1．1 以自身材料為殼

Lovri＇c等［11］指出，在PC12和N9細(xì)胞中，如果CdTe的QD沒有任何進(jìn)一步的表面修飾，當(dāng)其濃度達(dá)到10 g·L－1時，表現(xiàn)出明顯的細(xì)胞毒作用。說明QD的表面修飾對細(xì)胞毒性有很大的影響。CdTe QD是由于鎘離子的釋放，導(dǎo)致其產(chǎn)生了細(xì)胞毒性。為了降低其毒性，阻止鎘離子的釋放，Su等［12］通過MTT實驗，采用K562和HEK293T細(xì)胞株評估了一系列在水相中直接合成的QD的細(xì)胞毒性，CdTe QD，CdTe＠CdS（CdS為殼修飾CdTe為核的QD）的核-殼結(jié)構(gòu)QD和CdTe＠CdS＠ZnS的核-殼-殼結(jié)構(gòu)QD。實驗結(jié)果表明，外延生長的CdS層會在很小的程度上降低QD的毒性。ZnS外層的存在不僅大大提高了QD的生物相容性，即使在QD非常高的濃度和長時間暴露的條件下，也未觀察到細(xì)胞毒性。說明通過精細(xì)的表面修飾，QD的細(xì)胞毒作用是可以被調(diào)節(jié)的，如在水相中直接合成而形成的CdTe＠CdS＠ZnS核-殼-殼結(jié)構(gòu)QD，這對于細(xì)胞成像而言，是非常有前途的生物熒光探針。另外，Chan等［13］研究發(fā)現(xiàn)，在人成神經(jīng)細(xì)胞瘤IMR-32細(xì)胞系中，CdSe QD處理過的IMR-32細(xì)胞，引發(fā)了活性氧自由基種類的增加，抑制了與生存相關(guān)信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)，如減少了Ras和Raf-1蛋白表達(dá)，降低了ERK激酶的活性。但是，在ZnS修飾的CdSe QD處理后的細(xì)胞中未檢測到這些凋亡生化變化。表明CdSe＠ZnS QD能有效地降低細(xì)胞毒性。

3．1．2 以二氧化硅（SiO2）為殼

近年來有文獻(xiàn)報道，由于SiO2因具有生物相容性、水穩(wěn)定性和活躍的表面化學(xué)性等特性而被選作為QD的表面修飾材料，而且SiO2層的重要作用之一，就是可以阻擋重金屬離子的逸出，顯著降低生物毒性。Sada f等［14］采用的平均直徑各約為3．8和75 nm的CdTe QD和CdTe＠SiO2納米顆粒，經(jīng)MTT實驗表明，CdTe＠SiO2納米顆粒處理過的細(xì)胞，其活力和黏附能力類似于對照組（未接受納米顆粒處理）的293A細(xì)胞。然而，在CdTe QD處理過的細(xì)胞中，纖連蛋白的表達(dá)水平隨QD濃度的增加而降低，而且，未在細(xì)胞中觀察到β肌動蛋白的表達(dá)。但是，對于經(jīng)CdTe＠SiO2納米顆粒處理過的細(xì)胞，即使納米顆粒的濃度高至45 m g·L－1，也未對細(xì)胞產(chǎn)生影響。這不僅表明CdTe＠SiO2納米顆粒具有良好的生物相容性，而且由其引發(fā)的細(xì)胞毒性也降低了很多。Sada f等［15］不僅證明了CdTe＠SiO2在體外實驗中顯示出毒性降低的現(xiàn)象，在體內(nèi)實驗中也得出了相同的結(jié)果。體內(nèi)實驗血細(xì)胞分析顯示，與對照組小鼠相比，經(jīng)CdTe QD處理后，白細(xì)胞水平顯著增加，紅細(xì)胞和血小板計數(shù)正常。谷丙轉(zhuǎn)氨酶、谷草轉(zhuǎn)氨酶值均在正常范圍內(nèi)。小鼠腎功能分析顯示，與對照組小鼠相比，經(jīng)CdTe QD處理后，血尿素氮、肌酐的濃度顯著增加，但經(jīng)CdTe＠SiO2處理后，這兩者的值都還在正常范圍內(nèi)。組織病理學(xué)檢查結(jié)果表明，CdTe QD能引起輕度的腎毒性，但其他器官均正常，而在CdTe＠SiO2處理組和對照組中未發(fā)現(xiàn)任何異常。表明經(jīng)SiO2修飾過的QD會將裸核QD在小鼠體內(nèi)引起的腎毒性最小化。SiO2涂層能降低QD的體內(nèi)毒性，但是具有靶器官選擇性。Se lvan等［16］制備了穩(wěn)定性好且量子產(chǎn)率較高（17%～20%）的CdSe＠ZnS＠SiO2和CdSe＠SiO2，并將它們與經(jīng)巰基乙酸修飾的QD（MAA-CdSe）和經(jīng)聚酰胺和硫化鋅修飾的QD（PA-CdSe＠ZnS）進(jìn)行了細(xì)胞毒性的比較。毒性測試表明，SiO2修飾的QD對Cos7，NIH 3T3和HepG2 3種細(xì)胞的毒性遠(yuǎn)小于同等條件下MAACdSe和PA-CdSe＠ZnS的細(xì)胞毒性。作者的解釋是，這種毒性的降低主要是因為SiO2包被有效抑制了CdSe的降解。

SiO2除了可以直接修飾在QD表面外，還可以在SiO2殼外再添加修飾物，來增加QD的穩(wěn)定性或水溶性。Tang等［17］采用MTT法探討了SiO2修飾的ZnO納米粒子QD在NIH／3T3活細(xì)胞中的細(xì)胞毒性。研究結(jié)果顯示，當(dāng)SiO2修飾的ZnO納米粒子QD濃度為30 m g·L－1時，＞85%的細(xì)胞會存活下來（孵化24 h后），細(xì)胞很安全。為了提高其在水中的分散性，獲得更高的光致發(fā)光發(fā)射率，Matsuyama等［18］先用SiO2修飾ZnO納米粒子QD，作為第1層殼，再在SiO2層外接入生物素（sulfo-NHS-LC-biotin）。實驗結(jié)果表明，經(jīng)SiO2和生物素雙層修飾的ZnO QD不僅熒光發(fā)光強(qiáng)度和敏感性更高，而且毒性更低，更適用于生物細(xì)胞標(biāo)記。SiO2層雖然顯示出了如此多的優(yōu)良特性，但是，根據(jù)目前的研究狀況，經(jīng)SiO2修飾及改性后的顆粒其尺寸通常＞10 nm［19］，所以在應(yīng)用過程中，需慎重考慮SiO2層會導(dǎo)致顆粒直徑過大這一弊端。

3．2 親水性基團(tuán)的修飾

3．2．1 巰基類

用硫醇分子將QD鈍化或功能化是一種較為通用的生物耦聯(lián)技術(shù)。例如，巰基乙酸（mercaptoacetic acid，MAA），巰基琥珀酸（mercaptosuccinic acid，MSA），將硫醇（-SH）與CdTe QD鏈接，在CdS納米顆粒周圍形成一個小的鈍化層。眾所周知，裸核QD的毒性是很大的。Lovri＇c等［20］用裸核CdTe QD，采用0．01～100 m g·L－1的劑量染毒大鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞和小鼠小膠質(zhì)瘤細(xì)胞2～24 h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)裸核CdTe QD的濃度達(dá)到1 m g·L－1時即產(chǎn)生細(xì)胞毒性。但是，若用MAA修飾裸核QD后，產(chǎn)生細(xì)胞毒性的所需濃度會升高，即經(jīng)MAA修飾后QD毒性降低。如Derfus等［21］采用MAA修飾過的CdSe QD，以62．5～1000 m g·L－1染毒原代大鼠肝細(xì)胞1～8 h發(fā)現(xiàn)，MAA修飾過的CdSe QD濃度在62．5 mg·L－1時才會產(chǎn)生細(xì)胞毒性。不僅MAA的修飾可以降低QD的細(xì)胞毒性，與其性質(zhì)類似的3-巰基丙酸（3-mercapto propionic acid，MPA）修飾過的QD毒性也比裸核QD低，在前人的研究中，采用裸核CdTe QD和MPA修飾過的CdTe QD分別對PC12細(xì)胞株進(jìn)行染毒，裸核CdTe QD 1 mg·L－1時便會產(chǎn)生毒性，而MPA修飾過的CdTe QD濃度為10 mg·L－1時才會產(chǎn)生細(xì)胞毒性［20］。表明雖然巰基類分子在QD外形成的鈍化層較小，但是它顯著地降低了QD的細(xì)胞毒性。

但是，將QD用于生物領(lǐng)域時，鑒于對QD其他優(yōu)越性能的需要，有時并不把QD自身毒性放在考慮的首位。在Rizvi等［22］的研究中，用MSA和半胱氨酸（Cys）作穩(wěn)定劑，再添加一種擁有新特性的多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）來修飾QD，得到一種具有新性能的POSS-QD，并通過細(xì)胞活性實驗將POSSQD與經(jīng)MAS修飾的QD（MAS-QD）進(jìn)行比較。實驗結(jié)果顯示，兩者的濃度在0～5 m g·L－1范圍內(nèi)，細(xì)胞存活率相似，當(dāng)濃度＞5 mg·L－1時，經(jīng)MAS-QD處理的細(xì)胞存活率略高于POSS-QD。雖然該實驗證明，MAS-QD的毒性低于POSS-QD，但是，POSS-QD擁有更快速地胞內(nèi)吸收速率和更高的熒光發(fā)光強(qiáng)度，這就意味著，在生物學(xué)領(lǐng)域使用更少量的POSS-QD和MAS-QD所起到的作用是一樣的。降低使用濃度，也是另一種降低QD毒性的方式。

3．2．2 其他有機(jī)小配體

QD的合成一般是在有機(jī)溶劑中進(jìn)行的，在非金屬核外面形成了疏水性外殼，這就使得合成的QD具有疏水性而不能在生物學(xué)上應(yīng)用。為了使它們具有生物相容性，常對裸核QD進(jìn)行一些表面修飾。為增強(qiáng)其水溶性、核的持久穩(wěn)定性以及降低其毒性等其他作用，有機(jī)小配體是常用的修飾物。Hoshino等［23］采用微核實驗探討了幾種類型的親水性小配體修飾過的QD毒性：羧基修飾過的QD（QD-COOH），氨基修飾過的QD（QD-NH2），羥基修飾過的QD（QD-OH），還有它們的混合體QD-OH／COOH和QD-NH2／OH。實驗表明，QD-COOH樣本顯示出了比其他修飾更大的DNA損傷。在該實驗中，他們不僅比較了幾種有機(jī)小配體所造成的毒性的強(qiáng)弱，而且還證明了QD在體內(nèi)引發(fā)的毒性不僅與QD核有關(guān)，而且還與其表面修飾物有關(guān)。他們將QD的表面修飾物和QD核心分離開來，對表面修飾物單獨進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，一些有毒的表面修飾物以劑量依賴性地方式引發(fā)了嚴(yán)重的細(xì)胞毒性，而其他毒性更低的修飾分子則造成更低的細(xì)胞毒性。另有學(xué)者也證明QD細(xì)胞毒性取決于整個粒子的屬性，而不僅僅是金屬核心材料［24］。雖然QD-COOH的毒性較大，但是它在體內(nèi)的清除率卻比較高。Roberts等［25］將QD的兩種形式QD-COOH和QD-NH2通過氣管灌注法灌入Spragne-Dawley大鼠體內(nèi)，兩種形式的QD在清除率上有所不同，隨著時間的推移QD-COOH的清除率略大于QD-NH2，故而，在不同時間點上毒性程度略有不同。因此，在對QD進(jìn)行修飾時，需要根據(jù)實時應(yīng)用情況選擇QD的表面修飾材料。

其他研究將修飾QD的小分子配體按所帶電荷不同進(jìn)行了分類。用于產(chǎn)生帶負(fù)電荷QD的配體有：谷胱甘肽、N-乙酰半胱氨酸、二氫硫辛酸、硫普羅寧、布西拉明（bucillamine）和MSA等；使用配體能產(chǎn)生帶正電荷的QD，包括Cys和聚乙烯亞胺等；二硫蘇糖醇被用來修飾產(chǎn)生中性電荷的QD。Zheng等［26］將這些修飾過的QD進(jìn)行比較后，所得結(jié)果表明，QD的吸收和毒性依賴于表面配體的組分。負(fù)電荷的谷胱甘肽包覆的QD顯示出優(yōu)異的性能，即較低的細(xì)胞毒性、高穩(wěn)定性和高等級，因此，最適合用于生物成像。其他帶負(fù)電荷和中性電荷的QD也表現(xiàn)出較低的細(xì)胞毒性。以聚乙烯亞胺QD為代表的帶正電荷QD也顯示出優(yōu)良的性能，但由于它們具有高的正電荷，故而會導(dǎo)致更強(qiáng)的細(xì)胞毒性。Guo等［27］通過MTT實驗得出的研究結(jié)果說明，經(jīng)帶負(fù)電荷F-68（磷脂類表面活性劑）和帶中性電荷十二烷基硫酸鈉表面修飾過的CdSe QD能降低細(xì)胞毒性，但經(jīng)高正電荷分子溴化十六烷基三甲基銨修飾后，對細(xì)胞有很大的毒性作用。因此，經(jīng)帶負(fù)電荷和中性電荷修飾過的QD有較低的細(xì)胞毒性，在生物學(xué)應(yīng)用方面有很好的潛力。這些結(jié)果也從另一方面表明，體外實驗中修飾過的QD細(xì)胞毒性是依賴于其表面特性的。

3．3 大分子聚合物對量子點的修飾

QD已經(jīng)可以采用多種聚合物修飾，如聚乙二醇（polyethycene glycol，PEG）衍生磷脂，經(jīng)辛胺修飾的低相對分子質(zhì)量聚丙烯酸［28］，嵌段共聚物以及樹枝狀化合物，這些都給QD提供了一個親水殼。然而，大多數(shù)報道的聚合物并沒有表現(xiàn)出好的生物相容性和生物降解性能。已證明表面修飾物，如ZnS、牛血清蛋白和聚丙烯酸酯等，是通過減緩氧化過程來降低QD毒性的［29］，它們構(gòu)成了氧分子擴(kuò)散到QD表面的物理性擴(kuò)散屏障。嵌段聚合物的鏈端和QD位于膠束內(nèi)部，所以降低了其毒性［30］。

Kirchner等［31］探討了不同高分子聚合物修飾QD后對其毒性的影響。他們將CdSe＠ZnS和CdSe分別用MPA、硅烷和聚合物修飾，并比較它們產(chǎn)生的細(xì)胞毒性。共聚焦熒光顯微鏡成像結(jié)果表明，同種細(xì)胞以相似的方式吸收MPA聚合物，硅烷聚合物等修飾的CdSe＠ZnS，且顆粒越小越容易進(jìn)入細(xì)胞，然而細(xì)胞對PEG硅烷修飾的QD吸收情況卻剛好相反。從表面上看，修飾物的親脂性程度決定了其進(jìn)入細(xì)胞的方式不同，但其本質(zhì)卻是聚合修飾物影響了吸收方式，吸收方式不同可能進(jìn)一步導(dǎo)致它們所產(chǎn)生的細(xì)胞毒性不同。相似的結(jié)論也被Chang等［32］證明，他們比較了相對分子質(zhì)量為750的PEG修飾的QD（750）-PEG-QD、（6000）-PEG-QD、裸核QD對SK-BR-3（乳腺癌細(xì)胞）產(chǎn)生的毒性大小，結(jié)果表明，SK-BR-3細(xì)胞對不同QD的吸收程度與QD對細(xì)胞產(chǎn)生的毒性大小遵循相同的規(guī)律，即裸核QD＞（750）-PEG-QD＞（6000）-PEG-QD。

不僅不同小分子配體修飾的QD會影響其在生物體內(nèi)的清除率，這也同樣適用于聚合物修飾的QD。Fischer等［33］將ZnS＠CdSe經(jīng)巰基十一酸／賴氨酸（LM-QD）修飾后再與牛血清白蛋白交聯(lián)（BSA-LM-QD），以16 pm ol·g－1的劑量，經(jīng)頸部靜脈注入大鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種QD都以肝為主要靶器官，但這兩種QD在肝中的吸收百分比分別為36．4%和99．5%；LM-QD和BSA-LM-QD在血漿中的清除速率分別為0．59±0．16和（1．23± 0．22）m L·m in－1·kg－1，半衰期為58．5±17．0和（38．7±3．5）m in。毒物在體內(nèi)的吸收與清除與其對生物體產(chǎn)生的毒性息息相關(guān)。類似的例子如Yang等［34］的研究觀察了（5000）-PEG-ZnS／CdTe在小鼠體內(nèi)的毒代動力學(xué)行為，以1．12 pmo l·g－1尾靜脈注射至小鼠體內(nèi)。結(jié)果表明，肝和脾是（5000）-PEG-ZnS／CdTe的主要靶器官；血漿中的清除速率為2．3 m L·h－1·kg－1，半減期為18．5 h，這遠(yuǎn)大于Fischer等［33］的報道結(jié)果（t1／2＜60 m in）。說明表面修飾可通過影響QD在體內(nèi)的動力學(xué)行為來影響其對生物體產(chǎn)生的毒性。

Bakalova等［35］比較了非交聯(lián)型氨基功能化的聚酰胺-胺型樹枝狀高分子聚合物（PAMAM）包裹的QD，交聯(lián)羧基功能化的PAMAM包裹的QD和以SiO2為殼氨基功能化的QD產(chǎn)生的生物效應(yīng)不同。結(jié)果表明，非交聯(lián)型氨基功能化的PAMAM的QD有細(xì)胞毒性，在體內(nèi)會產(chǎn)生負(fù)作用，包括在平均動脈血壓下引起血管舒張和心率降低；QD會滲入到血管中。用交聯(lián)羧基功能化的PAMAM包被的QD細(xì)胞毒性較低，有生物相容性；其QD濃度＜0．3 nm o l·kg－1時，納米顆粒不影響血壓和心率，也不引起血管舒張或是血管收縮。以SiO2為殼的PEG修飾的QD，也是體內(nèi)成像的QD探針發(fā)展中不可缺少的一項。基于非PEG化SiO2殼QD隨著在體內(nèi)迅速聚集，具有在高鹽生理溶液中擁有較低的膠體穩(wěn)定性特性，故而將硅殼QD和PEG1100共軛會增加其穩(wěn)定性，但其半減期沒有隨著它們的大小顯著增強(qiáng)；濃度＜2．5 nmo l·kg－1時，QD沒有影響主要生理參數(shù)。鑒于它可能會用于可視化毛細(xì)血管，使得這種QD探針適用于跟蹤調(diào)查血管收縮及血管擴(kuò)張產(chǎn)生的中間產(chǎn)物。經(jīng)β-環(huán)糊精-苯基偶氮苯基苯丙氨酸（β-CD-PAP）修飾過的QD小鼠體內(nèi)實驗結(jié)果表明，QD經(jīng)β-CD修飾后，幾乎已不再對生物體產(chǎn)生毒性，其主要原因是，該特殊結(jié)構(gòu)有效降低了由于QD光分解所產(chǎn)生的細(xì)胞毒性［36］。

3．4 功能性量子點表面修飾

QD作為藥物載體QD表面的修飾物對整個QD的生物學(xué)行為都有影響。Manabe等［37］將具有降壓藥卡托普利共軛鏈接到QD表面，將QD-卡托普利注入到自發(fā)性高血壓大鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)制備的功能性納米復(fù)合材料QD粒子沒有失去熒光活性和抗高血壓作用，而且該復(fù)合物的毒性比單用卡托普利毒性小。

SiQD在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面也顯示出很大的潛能，其可作為藥物傳遞系統(tǒng)的生物熒光標(biāo)記物和載體。由于SiQD的生物惰性，比傳統(tǒng)的Cd QD毒性小，同時可以通過共價鍵對Si QD進(jìn)行表面修飾。Hanada等［38］合成了水溶性阿明洛芬共軛硅（AP Si）QD，在肝癌細(xì)胞株Hep G2細(xì)胞培養(yǎng)液中分別添加裸露的Si QD和AP Si QD（10～1000 m g·L－1）孵化48 h，WST實驗評價細(xì)胞毒性。裸露的SiQD濃度高于200 mg·L－1時，有顯著的細(xì)胞毒性；對于共軛AP Si修飾的QD，在濃度達(dá)到1000 mg·L－1時，只檢測到輕微的細(xì)胞毒性。表明AP Si共軛體比裸露的Si QD和原有的藥物毒性都低，有較大的藥用價值。

Liu等［39］的研究發(fā)現(xiàn)，在一定濃度范圍（20 m g·L－1）內(nèi)，經(jīng)CA15-3單克隆抗體耦聯(lián)修飾CdTe QD得到的納米探針CdTe-CA15-3，對L929細(xì)胞的細(xì)胞抑制率均較低，其濃度＜10 mg·L－1時，產(chǎn)生的細(xì)胞毒性可以忽略不計；在此基礎(chǔ)上，選用MDA-MB-231-eGFP-luc2細(xì)胞，將CdTe-CA15-3和綠色熒光蛋白（green fluorescent protein，GFP）的熒光發(fā)光進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，在激光共聚焦顯微鏡連續(xù)激發(fā)1 h的過程中，GFP的熒光強(qiáng)度隨著時間的延長明顯減弱，下降趨勢顯著，熒光信號強(qiáng)度降低較快，而CdTe-CA15-3的熒光強(qiáng)度隨著時間的延長衰減速度緩慢，較GFP的熒光穩(wěn)定性更好，且CdTe-CA15-3濃度在20 m g·L－1各時間點的熒光強(qiáng)度均高于10 m g·L－1，說明QD的發(fā)光效果與濃度有密切關(guān)系。因此，在利用QD時，應(yīng)找其安全無毒又不影響其發(fā)光效果的劑量范圍。Yezhelyev等［40］的報道中提到，多功能納米粒子的小干擾RNA（siRNA）的傳統(tǒng)設(shè)計以半導(dǎo)體QD為基礎(chǔ)，再在其表面用質(zhì)子吸收聚合物涂層修飾，以叔胺和羧酸平衡其組分。通過SRB實驗，將這種納米粒子復(fù)合物（QD-siRNA）與現(xiàn)有的3種轉(zhuǎn)染試劑對MDAMB-231細(xì)胞造成的細(xì)胞毒性相比，結(jié)果說明，該種復(fù)合物使細(xì)胞毒性降低到原來的1／5～1／6。更為重要的是，QD-siRNA納米顆粒是具有雙重形態(tài)，光學(xué)性和電子顯微鏡的探針，可用于傳遞和轉(zhuǎn)染過程中QD的實時跟蹤和超微結(jié)構(gòu)定位。修飾過的QD的熒光強(qiáng)度高于未修飾的QD，與常用的3種轉(zhuǎn)染試劑相比，QD-siRNA的光學(xué)密度遠(yuǎn)高于它們，這些都表明，QD-siRNA作為示蹤劑，具有時間更長，性質(zhì)更穩(wěn)定的光學(xué)效果。同時，QD-siRNA還解決了siRNA傳遞過程中遇到的長期障礙，如細(xì)胞滲透、胞內(nèi)釋放、載體解包和胞內(nèi)運輸。這些新的見解和性能表明，在納米工程成像方面的運用，又邁出了重要的一步。

4 展望

有關(guān)QD納米材料毒性眾說紛云的原因概括起來包括如下原因［41－42］：①在某些限定條件下，合成QD材料的不同、選取的QD濃度不同、與其作用的生物模型不同等都會導(dǎo)致一些研究證明QD沒有毒性。②不同的QD有不同的性能。過去的研究表明，納米顆粒不同的理化性質(zhì)在細(xì)胞效應(yīng)中會有不同的體現(xiàn)。納米顆粒巨大的表面積導(dǎo)致了其巨大的表面活性。但是，納米顆粒的細(xì)胞毒性不僅僅是由它的表面積決定的，如果一種納米顆粒的理化性質(zhì)不活躍，即使它的表面積再大，它的細(xì)胞毒性也會很小。③沒有明確的證據(jù)證明納米顆粒對細(xì)胞的影響僅僅是由最原始的納米顆粒引起的。一些納米金屬氧化物有強(qiáng)大的蛋白質(zhì)吸附能力，當(dāng)它們分散在培養(yǎng)基中時，就會吸附培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)，比如血清白蛋白；另外，納米顆粒的溶解度和其所處外環(huán)境給其帶來的污染，這些都會對納米顆粒最原始的純度造成影響，進(jìn)而影響其對生物體產(chǎn)生的毒性。

弄清QD產(chǎn)生毒性的影響因素固然很重要，但是降低其產(chǎn)生的毒性更重要。通過表面修飾改變QD的毒性只是降低QD毒性這項浩瀚工程中的一個小方面。實驗數(shù)據(jù)表明，QD自身材料的包被、官能團(tuán)的包覆、生物大分子的表面修飾等，確實從不同程度上降低了QD的毒性；但這些表面處理不僅降低了QD的毒性，它們還對整個納米晶體QD復(fù)合物的生物行為具有決定性的作用，如影響了QD在體內(nèi)的吸收代謝方式，清除率等。這些都是在選擇合適的表面修飾物時所要慎重考慮的問題。

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Advances in effect of surface modification on toxicity of quantum dots

ZHAN Qing-ling，TANG Meng
（Key Laboratory of Environmental Medicine Engineering，Jiangsu Key Laboratory for Biomaterials and Devices，School of Public Health，Southeast University，Nanjing 210009，China）

Quantum dots（QD）have been widely used in biology because of their good spectra l characteristics，such as cell marker，tissue imaging，optical dynamic treatment，and other applications．However，the potential negative effects and／or biological poison effect have attracted worldwide attention．So how to reduce the toxicity of QD is worthy of more study．This paper introduces the basic characteristics of QD，their application in the biomedical field and potential toxicity with emphasis on a few types of surface modification to QD and on the effect of surface modification on reducing the toxic effects of QD．Finally，further research in this field is predicted．

quantum dots；toxic actions；modification

TANG Meng，E-mail：tm＠seu．edu．cn

TB383，R318．08

A

1000-3002（2014）01-0126-08

Foundation item：The project supported by National Natural Science Foundation of China（30972504）；National Natural Science Foundation of China（81172697）；National Natural Science Foundation of China（81302461）；National Important Project on Scientific Research of China（2011CB933404）；and Provincial Natural Science Funds of Jiangsu（BK2011606）

2013-07-08 接受日期：2013-09-15）

（本文編輯：付良青）

喜 訊

國家自然科學(xué)基金（30972504）；國家自然科學(xué)基金（8117269）；國家自然科學(xué)基金（81302461）；國家重大科學(xué)研究計劃項目（2011CB933404）；江蘇省基礎(chǔ)研究計劃（BK2011606）

詹慶玲，女，碩士研究生，主要從事納米毒理學(xué)研究，E-mail：zhqinglingde＠sina．com；唐 萌，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事納米毒理學(xué)研究。

通迅作者：唐 萌，E-mail：tm＠seu．edu．cn，Tel：（025）83272564

《中國藥理學(xué)與毒理學(xué)雜志》在第三屆中國學(xué)術(shù)期刊評價中被評為“武漢大學(xué)中國科學(xué)評價研究中心（RCCSE）中國權(quán)威學(xué)術(shù)期刊（A＋）”，名列我國2013－2014年學(xué)術(shù)期刊基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)科排行榜第1名。至此，《中國藥理學(xué)與毒理學(xué)雜志》首次成為國內(nèi)權(quán)威期刊評價體系中的權(quán)威期刊。本刊曾在第二屆中國學(xué)術(shù)期刊評價中被評為“RCCSE中國核心學(xué)術(shù)期刊（A）”，名列我國2011－2012年學(xué)術(shù)期刊基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)科排行榜第4名。