程錦，季倩倩，王瀚，吳添舒

環(huán)境醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，南京 210009

隨著納米技術(shù)的快速發(fā)展，量子點(diǎn)(quantum dots, QDs)作為一種新型的納米熒光探針和納米載體，由于其獨(dú)特的性質(zhì)，如優(yōu)異的耐光漂白性、相對較長的熒光壽命、修飾后良好的生物相容性等被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]，但是現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，許多類型的量子點(diǎn)可以滲透到組織和細(xì)胞中，并導(dǎo)致生物體內(nèi)的生化損傷。因此，明確量子點(diǎn)的毒性效應(yīng)及其毒作用調(diào)控機(jī)制是控制量子點(diǎn)毒性的關(guān)鍵之一。秀麗隱桿線蟲作為一種經(jīng)典的模式生物，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括良好的生物學(xué)基礎(chǔ)，較短的生長周期和較大的繁殖規(guī)模，已被廣泛應(yīng)用于毒理學(xué)領(lǐng)域，尤其是環(huán)境毒理學(xué)[1]。并且，秀麗隱桿線蟲基因組中約有40%基因與人類基因組同源，因而外源化學(xué)物對秀麗隱桿線蟲的毒性效應(yīng)很大程度上可以反映毒物對脊椎動(dòng)物，甚至是人體的損傷。在此研究背景下，本文總結(jié)分析了新近發(fā)表的文獻(xiàn)，旨在闡述量子點(diǎn)對秀麗隱桿線蟲的毒性效應(yīng)及其調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展。

1 量子點(diǎn)在生物體內(nèi)的ADME(absorption, distribution, metabolism, excretion)過程(The ADME process of quantum dots in organisms)

1.1 量子點(diǎn)被機(jī)體的吸收

量子點(diǎn)主要的暴露方式有短期暴露和長期暴露[2]。硫化鋅外殼修飾的碲化鎘量子點(diǎn)(CdSe/ZnS)和碲化鎘量子點(diǎn)(CdTe)是生物成像中最常用的2種納米粒子，一些研究表明，把與CdTe量子點(diǎn)、CdSe/ZnS量子點(diǎn)混合后的大腸桿菌喂食給秀麗隱桿線蟲，短期暴露12 h后，大量量子點(diǎn)與大腸桿菌一起通過消化道被攝入，并填滿咽腔，以極短的速度經(jīng)過腸道，許多量子點(diǎn)保留在腸的初始部分，在中間腸中與大腸桿菌分離。同時(shí)，大多數(shù)量子點(diǎn)通過肛門和外陰排出體外，僅有少數(shù)量子點(diǎn)殘留在消化系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)中，并未進(jìn)入卵中[3]。暴露24 h后，發(fā)現(xiàn)腸道內(nèi)的CdSe/ZnS量子點(diǎn)的ZnS外殼被破壞，CdSe核被氧化[4]。暴露16 d，量子點(diǎn)在消化系統(tǒng)中不斷積累，被腸細(xì)胞大量吞噬。除量子點(diǎn)以外，相關(guān)研究表明其他的熒光納米材料也具有相似的吸收過程[5-6]。

1.2 量子點(diǎn)在機(jī)體內(nèi)的分布

相關(guān)研究表明，大多數(shù)類型的量子點(diǎn)，無論在無機(jī)核和有機(jī)穩(wěn)定劑中的組成如何，都在秀麗隱桿線蟲中表現(xiàn)出相似的生物分布[3]。進(jìn)入機(jī)體的量子點(diǎn)在線蟲體內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)中均有分布，主要分布在腸道系統(tǒng)。吳添舒等[7]的研究表明，當(dāng)線蟲暴露于不同濃度的CdTe量子點(diǎn)24～72 h后，被攝取的量子點(diǎn)主要聚集于腸道中。線蟲頭部也有量子點(diǎn)的分布[8]，可能是通過腸道生物膜而進(jìn)入相鄰的頭部細(xì)胞。而較長的暴露時(shí)間(72 h)也導(dǎo)致了量子點(diǎn)在體內(nèi)更多的集聚。相關(guān)研究表明在線蟲前部的肌肉中也有適量的CdTe量子點(diǎn)聚集[8]。

在消化系統(tǒng)中，量子點(diǎn)主要分布在咽部和小腸[9]，長時(shí)間暴露后，內(nèi)化的CdTe量子點(diǎn)可以散布在咽、腸腔和腸細(xì)胞中，并且累積程度隨量子點(diǎn)暴露濃度遞增。附著在咽側(cè)壁上的量子點(diǎn)提示其與咽壁細(xì)胞可能存在特殊相互作用[10]。

已有研究表明，CdTe量子點(diǎn)和CdSe/ZnS量子點(diǎn)等大小和組成不同的納米材料可能會(huì)從消化系統(tǒng)中易位并影響生殖系統(tǒng)，暴露時(shí)間的長短也對生殖系統(tǒng)的作用有重要影響。在CdTe和CdSe/ZnS量子點(diǎn)中短時(shí)間暴露(12 h)后，大多數(shù)量子點(diǎn)通過肛門和外陰排泄到外部，并且在生殖系統(tǒng)中僅觀察到少量量子點(diǎn)，而沒有進(jìn)入卵。暴露12 h～3 d時(shí)后，量子點(diǎn)從消化系統(tǒng)轉(zhuǎn)移出來，線蟲還未觀察到明顯的不良反應(yīng)。然而，繼續(xù)暴露到16 d時(shí)，大量量子點(diǎn)轉(zhuǎn)移并積聚在線蟲子宮和外陰，從而對生殖系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響并損害卵子[3]。胚胎死亡率和產(chǎn)卵缺陷的增加可能歸因于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中跨神經(jīng)突觸的傳遞受阻[11]。

在神經(jīng)系統(tǒng)中，也觀察到量子點(diǎn)的分布。Wu等[11]研究了線蟲中氧化石墨烯量子點(diǎn)在線蟲中的易位和生物分布。從L1幼蟲到成蟲第8天長期暴露于1 mg·L-1的氧化石墨烯量子點(diǎn)后，仍可以在咽中檢出標(biāo)記的氧化石墨烯量子點(diǎn)，大量氧化石墨烯量子點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了咽周圍的頭部大多數(shù)神經(jīng)元所在的位置以及性腺和線蟲中的某些胚胎中。此外，與咽、性腺和胚胎中累積的氧化石墨烯量子點(diǎn)相比，更多的氧化石墨烯量子點(diǎn)在線蟲的腸和尾巴中積累。推斷氧化石墨烯量子點(diǎn)可能在慢性暴露后通過線蟲中主要目標(biāo)器官的屏障轉(zhuǎn)移到次要目標(biāo)器官中，例如性腺和神經(jīng)元。一些研究表明[8,12]，長期暴露后，CdTe量子點(diǎn)沿著腸的生物屏障易位到RMEs運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元(RMEs motor neurons，包括RMED、RMEV、RMEL和RMER)中，尤其是在線蟲頭部。而CdTe/ZnS量子點(diǎn)主要分布在腸道中，沒有在RMEs運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中觀察到CdTe/ZnS量子點(diǎn)的熒光信號(hào)，表明ZnS涂層可以防止CdTe量子點(diǎn)穿過腸屏障并轉(zhuǎn)移到RME運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中。

線蟲的排泄系統(tǒng)由4種獨(dú)特的細(xì)胞類型組成，它們參與滲透/離子調(diào)節(jié)。當(dāng)排泄系統(tǒng)受損時(shí)，線蟲會(huì)因過量的液體膨脹而迅速形成“桿狀”致死表型，很容易識(shí)別[13]。排便是在神經(jīng)系統(tǒng)的控制下，并通過節(jié)律性激活肌肉收縮循環(huán)來實(shí)現(xiàn)[14]。Wu等[8]研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于濃度為5～20 mg·L-1的CdTe量子點(diǎn)，顯著降低了線蟲的泵吸率，增加了線蟲的平均排便周期，可觀察到線蟲腸道內(nèi)脂肪存儲(chǔ)量增加。Wu等[11]通過檢測氧化石墨烯量子點(diǎn)與大腸桿菌(EscherichiacoliOP50,E.coliOP50)在線蟲體內(nèi)的共定位，發(fā)現(xiàn)氧化石墨烯量子點(diǎn)暴露第8天時(shí)，可以在成年線蟲的前部區(qū)域和后部區(qū)域，尤其是尾部的排便結(jié)構(gòu)區(qū)域，觀察到氧化石墨烯量子點(diǎn)與OP50的共定位和OP50的非正常過度積累，推斷的線蟲的正常排便行為可能受到了石墨烯量子點(diǎn)干擾。

進(jìn)入到生物機(jī)體內(nèi)的量子點(diǎn)還可能進(jìn)一步進(jìn)入并在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境中分布和聚集。Wang等[15]的研究表明，一些量子點(diǎn)可以進(jìn)入臨近的腸細(xì)胞，到達(dá)細(xì)胞內(nèi)溶酶體并被其保留，并且量子點(diǎn)大小差異似乎并不影響量子點(diǎn)的亞細(xì)胞定位。

1.3 量子點(diǎn)在機(jī)體內(nèi)的代謝和排泄

隨著暴露時(shí)間的延長，量子點(diǎn)可以在消化系統(tǒng)中積累，并在消化微環(huán)境中整合新陳代謝。Qu等[3]的研究表明，由于內(nèi)部硒的氧化作用，CdSe/ZnS量子點(diǎn)降解，發(fā)生熒光猝滅，導(dǎo)致有毒金屬離子(Cd和Se)的釋放。Xu等[16]在研究中同樣觀察到碳量子點(diǎn)在線蟲體內(nèi)的熒光猝滅現(xiàn)象。Tian等[17]的研究表明，CdSe量子點(diǎn)隨細(xì)菌被攝入后，從口腔、咽部腔、腸道最終到達(dá)線蟲的直腸，部分量子點(diǎn)從線蟲的肛門中排出。量子點(diǎn)暴露6 h后，腸腔中的量子點(diǎn)明顯增多；暴露12 h后，量子點(diǎn)在腸道內(nèi)腔中變得更加豐富，研究者同時(shí)觀察到CdSe量子點(diǎn)向Se和Na2SeO3的部分轉(zhuǎn)化。在此過程中，一些分散的量子點(diǎn)甚至進(jìn)入到了鄰近的腸細(xì)胞。

2 量子點(diǎn)對秀麗隱桿線蟲的主要毒性效應(yīng)(The main toxic effects of quantum dots on Caenorhabditis elegans)

根據(jù)量子點(diǎn)進(jìn)入生物體后的分布和情況，研究者預(yù)測量子點(diǎn)可能對線蟲的多個(gè)組織系統(tǒng)產(chǎn)生毒性效應(yīng)。得益于多種分子生物學(xué)技術(shù)和轉(zhuǎn)基因線蟲的應(yīng)用，量子點(diǎn)導(dǎo)致線蟲毒性效應(yīng)的分子調(diào)控機(jī)制也能得到很好的研究。將線蟲用于量子點(diǎn)毒性研究的相關(guān)規(guī)劃總結(jié)在圖1中。

圖1 將秀麗隱桿線蟲應(yīng)用于量子點(diǎn)(QDs)毒理學(xué)研究的示意圖Fig. 1 Schematic diagram of using nematodes C. elegans in the toxicology study of quantum dots (QDs)

2.1 腸道毒性

腸屏障是線蟲阻止某些二維碳基工程納米材料進(jìn)入線蟲的次要靶向器官的重要生物屏障。Liu等[18]的研究表明，當(dāng)線蟲暴露于氧化石墨烯量子點(diǎn)時(shí)，腸道屏障的生理功能狀態(tài)發(fā)生失調(diào)。長時(shí)間接觸氧化石墨烯量子點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致腸屏障處于高滲透狀態(tài)，導(dǎo)致平均排便周期長度增加、腸道脂肪增加等病理改變，腸道發(fā)育和排便行為所需的基因也會(huì)發(fā)生改變[2]。氧化石墨烯量子點(diǎn)還能進(jìn)一步在腸道微絨毛消失的情況下轉(zhuǎn)移到腸細(xì)胞中，并分布在細(xì)胞內(nèi)線粒體附近或周圍。

2.2 神經(jīng)系統(tǒng)毒性

成年秀麗隱桿線蟲有302個(gè)神經(jīng)元和7 000個(gè)突觸，屬于2個(gè)不同且獨(dú)立的神經(jīng)系統(tǒng)。Zhao等[12]研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于0.001 μg·L-1和0.01 μg·L-1的CdTe量子點(diǎn)不會(huì)引起線蟲異常的覓食行為，而線蟲的覓食行為通常由特定神經(jīng)元控制。當(dāng)CdTe量子點(diǎn)濃度增加到0.1 μg·L-1和1 μg·L-1時(shí)則誘導(dǎo)秀麗隱桿線蟲異常覓食行為的形成。長期暴露于一定濃度的CdTe量子點(diǎn)中可引起RMEs運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的發(fā)育和功能障礙。

除了含鎘量子點(diǎn)，Zhang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯量子點(diǎn)可以減少線蟲壽命，并減緩線蟲的運(yùn)動(dòng)行為。壽命和運(yùn)動(dòng)行為的改變反映了氧化石墨烯量子點(diǎn)對線蟲的神經(jīng)毒性。張從芬等[20]的研究表明，CdS/ZnS量子點(diǎn)暴露對秀麗隱桿線蟲的體長、頭部擺動(dòng)以及身體彎曲等生物行為有不同程度的抑制作用。吳添舒等[7]的研究表明，CdTe量子點(diǎn)暴露可以抑制線蟲的運(yùn)動(dòng)行為、咽泵運(yùn)動(dòng)和排便，降低學(xué)習(xí)和記憶能力，表現(xiàn)出一定的神經(jīng)毒性。而量子點(diǎn)的神經(jīng)毒性作用可能與其影響神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸、五羥色胺和多巴胺的轉(zhuǎn)運(yùn)體和受體相關(guān)。Wu等[11]研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于1 mg·L-1氧化石墨烯量子點(diǎn)顯著降低了線蟲體內(nèi)控制排便行為的AVL和DVB神經(jīng)元細(xì)胞體的相對熒光強(qiáng)度，并觀察到氧化石墨烯量子點(diǎn)與AVL和DVB神經(jīng)元共定位，推斷氧化石墨烯量子點(diǎn)可能對AVL和DVB神經(jīng)元造成了直接損害，從而導(dǎo)致線蟲排便周期的延長。

2.3 免疫系統(tǒng)毒性

秀麗隱桿線蟲不存在高等生物的適應(yīng)性免疫，只能靠先天免疫發(fā)揮作用。其中，DBL通路、DAF-2/DAF-16通路、絲裂原激活的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)通路、Toll樣受體(Toll-like receptor, TLR)信號(hào)通路以及一系列免疫相關(guān)基因構(gòu)成的復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控著線蟲的先天免疫[21]。免疫反應(yīng)的損害為量子點(diǎn)在正常條件下對秀麗隱桿線蟲的影響提供了至關(guān)重要的基礎(chǔ)。Wu等[11]研究發(fā)現(xiàn)，慢性氧化石墨烯量子點(diǎn)暴露可誘導(dǎo)編碼抗微生物肽的F08G5.6、pqm-1、K11D12.5、prx-11、spp-1、lys-7、lys-2、abf-2、acdh和nlp-29等基因表達(dá)水平顯著降低，并改變編碼p38 MAPK激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中關(guān)鍵基因的表達(dá)，導(dǎo)致線蟲對病原體的免疫應(yīng)答能力下降，從而出現(xiàn)壽命下降等一系列毒性效應(yīng)。周炎烽[22]研究發(fā)現(xiàn)，CdTe量子點(diǎn)可以引發(fā)線蟲發(fā)生細(xì)胞自噬，進(jìn)入秀麗隱桿線蟲體內(nèi)的量子點(diǎn)可以誘導(dǎo)線蟲體內(nèi)形成明顯的自噬體，同時(shí)上調(diào)自噬相關(guān)基因、降解自噬底物，表明納米顆粒誘導(dǎo)自噬的能力與它們對膜狀亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成損傷的能力相關(guān)。

2.4 生殖系統(tǒng)毒性

線蟲分為雌雄同體和雄性，其中，雄性比例極低，一些研究表明量子點(diǎn)的暴露對雌雄同體線蟲存在生殖毒性。Hsu等[23]的實(shí)驗(yàn)表明，雌雄同體線蟲暴露于濃度為1 μmol·L-1的CdSe/ZnS量子點(diǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致成蟲子宮內(nèi)胚胎數(shù)量增多并出現(xiàn)過早產(chǎn)卵，產(chǎn)卵死亡率上升，增加產(chǎn)卵缺陷表型，其機(jī)制可能與量子點(diǎn)破壞了控制線蟲產(chǎn)卵活性收縮的特定運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元(hermaphrodite-specific neurons, HSNS)相關(guān)。Qu等[3]的研究表明，CdTe量子點(diǎn)暴露12 h和3 d時(shí)，雌雄同體生殖系統(tǒng)的不同部分通過上皮、基底層或性腺鞘與消化系統(tǒng)和假體分開，與鞘細(xì)胞相比，量子點(diǎn)很容易穿透上皮，因此在性腺中幾乎沒有觀察到量子點(diǎn)。但是長期暴露16 d時(shí)，大量量子點(diǎn)轉(zhuǎn)移并積聚在子宮和外陰，對卵造成一定的損傷，導(dǎo)致野生型雌雄同體線蟲的繁殖力下降。這說明，量子點(diǎn)慢性暴露依然存在生殖毒性。Qu等[10]的實(shí)驗(yàn)表明，排除CdTe量子點(diǎn)釋放出的Cd離子造成的影響后[24]，長期暴露于CdTe量子點(diǎn)顆粒(≥50 mg·L-1)會(huì)導(dǎo)致野生型線蟲生殖能力缺陷，生殖細(xì)胞的增殖和分化失調(diào)，減數(shù)分裂異常，受精卵的生成和排出減少，育雛量和產(chǎn)卵率下降，導(dǎo)致卵子發(fā)生失衡。Contreras等[25]研究了暴露于CdTe和CdTe/ZnS量子點(diǎn)中的秀麗隱桿線蟲的多代適應(yīng)性和耐受性。與溶解的Cd暴露相比，未涂覆的CdTe量子點(diǎn)暴露會(huì)對秀麗隱桿線蟲產(chǎn)生類似的急性影響，例如壽命縮短和育雛尺寸減少，而未觀察到CdTe/ZnS量子點(diǎn)的影響。在研究量子點(diǎn)暴露對雄性線蟲的生殖系統(tǒng)影響時(shí)，Qu等[3]觀察到在量子點(diǎn)短期暴露時(shí)，雄性線蟲外陰增大，可能導(dǎo)致其在交配過程中性腺無法正常受精。

2.5 細(xì)胞毒性作用

多年來的毒理學(xué)研究已經(jīng)明確了CdTe量子點(diǎn)的細(xì)胞毒性[26]，而進(jìn)入到線蟲體內(nèi)的量子點(diǎn)同樣有可能導(dǎo)致生物機(jī)體內(nèi)細(xì)胞的損傷。Wang等[15,27]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，量子點(diǎn)破壞了線蟲腸道細(xì)胞的內(nèi)吞循環(huán)和營養(yǎng)儲(chǔ)存功能，可能是導(dǎo)致秀麗隱桿線蟲的生長狀態(tài)惡化和壽命縮短的主要原因。量子點(diǎn)暴露誘導(dǎo)了線蟲細(xì)胞自噬體形成、自噬相關(guān)基因上調(diào)和自噬底物降解[27]，并且觀察到大量的內(nèi)體聚集，內(nèi)體聚集的嚴(yán)重程度與生長抑制和壽命縮短的嚴(yán)重程度一致，這表明量子點(diǎn)對秀麗隱桿線蟲發(fā)育和壽命的毒性可能是由細(xì)胞內(nèi)吞作用的破壞引起的[15]。根據(jù)暴露后腸道脂滴數(shù)量的變化，發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)可以導(dǎo)致嚴(yán)重的營養(yǎng)剝奪，這可能是抑制線蟲生長激素分泌的最終原因[15]。

3 量子點(diǎn)導(dǎo)致秀麗隱桿線蟲毒性的調(diào)控機(jī)制(The regulatory mechanism of the toxicity of Caenorhabditis elegans caused by quantum dots)

秀麗隱桿線蟲作為一種良好的模式生物，對環(huán)境毒物敏感性較高，且具有生命周期短、實(shí)驗(yàn)操作便捷等優(yōu)點(diǎn)，近年來被用于研究包括量子點(diǎn)在內(nèi)的多種納米材料的毒性響應(yīng)機(jī)制。其中，主要的毒性機(jī)制包括氧化應(yīng)激損傷、影響細(xì)胞自噬、離子通道門控改變損傷、影響分子信號(hào)通路、炎癥反應(yīng)損傷和重金屬離子釋放導(dǎo)致的毒性等。

3.1 氧化應(yīng)激損傷

氧化應(yīng)激損傷是量子點(diǎn)誘導(dǎo)秀麗隱桿線蟲毒性的重要機(jī)制之一，當(dāng)生物體受到外來刺激產(chǎn)生的大量自由基不能被及時(shí)清除時(shí)，體內(nèi)的氧化還原平衡被打破，未被清除的活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)會(huì)對細(xì)胞大分子和細(xì)胞功能產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。研究表明，ROS造成的氧化損傷最早作用于細(xì)胞內(nèi)線粒體，使其結(jié)構(gòu)和通透性被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)損傷[28]。

3.2 細(xì)胞自噬

自噬是細(xì)胞降解的重要生物學(xué)過程，電鏡分析表明秀麗隱桿線蟲也具有自噬的生物學(xué)功能，且該功能在線蟲的生長發(fā)育、延長壽命、調(diào)控程序性細(xì)胞死亡、調(diào)控神經(jīng)退行性疾病等多方面起著重要作用。

目前，量子點(diǎn)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的能力。Wang等[15]通過基因水平的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)碳量子點(diǎn)能夠引起線蟲的自噬反應(yīng)。代慧[33]通過RNA干擾(RNA interference, RNAi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了氧化石墨烯誘導(dǎo)的線蟲自噬過程。此外，雖然正常細(xì)胞的自噬可能導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的健康傷害，但是量子點(diǎn)誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的能力提示了其在抗腫瘤和癌癥治療等方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。Chen等[34]通過小鼠實(shí)驗(yàn)證實(shí)氧化石墨烯量子點(diǎn)可以加速腫瘤細(xì)胞的死亡以抑制腫瘤發(fā)展。鐘文英等[35]通過細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證實(shí)CdTe量子點(diǎn)可作為自噬增敏劑用于逆轉(zhuǎn)腫瘤細(xì)胞的耐藥性，為增強(qiáng)已有藥物的藥效提供了新的思路。

3.3 離子通道門控改變

離子通道的正常開放與關(guān)閉是機(jī)體正常生命活動(dòng)的重要基礎(chǔ)，其中，鈣離子既參與細(xì)胞的分化又介導(dǎo)細(xì)胞的死亡過程，控制多種生命活動(dòng)；而鈉離子通道在神經(jīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)揮著重要作用，是興奮細(xì)胞中動(dòng)作電位的重要生理基礎(chǔ)。

唐明亮[36]采用鈣成像等實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)了量子點(diǎn)的急性暴露可以長時(shí)間提高細(xì)胞內(nèi)鈣水平，最終導(dǎo)致細(xì)胞壞死和凋亡。此外全細(xì)胞膜片鉗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示，在量子點(diǎn)的刺激下，Ca2+既可以通過鈣通道進(jìn)入胞內(nèi)，也可以通過鈉通道流入胞內(nèi)，再加上另一部分通過鈉通道流入胞內(nèi)的Na+，共同使得神經(jīng)系統(tǒng)失調(diào)。

3.4 影響分子信號(hào)通路

磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(phosphatidylinositol 3-kinase/protein kinase B, PI3K-Akt)信號(hào)通路和MAPK信號(hào)通路均參與突觸可塑性，且與炎癥反應(yīng)和細(xì)胞凋亡密切關(guān)。Zhang等[37]通過體外細(xì)胞培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，CdTe量子點(diǎn)可以通過激活PI3K-Akt信號(hào)通路進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。郝明路[38]通過分子、細(xì)胞核動(dòng)物實(shí)驗(yàn)綜合分析發(fā)現(xiàn)，疏基丙酸修飾的CdTe量子點(diǎn)可以誘發(fā)細(xì)胞凋亡，這與MAPK信號(hào)通路的激活密切相關(guān)。此外，通過對大鼠海馬體進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序得出的PI3K-Akt信號(hào)通路和MAPK信號(hào)通路只是目前已經(jīng)被證實(shí)的信號(hào)通路[39]，并不排除Toll樣受體通路中存在其他與量子點(diǎn)毒性作用效應(yīng)相關(guān)的信號(hào)通路。

3.5 釋放重金屬離子

目前廣泛使用的半導(dǎo)體量子點(diǎn)通常含有如Cd、Hg和As等重金屬成分，且在紫外光照射等因素作用下會(huì)釋放出游離的重金屬離子，因而重金屬離子釋放也是量子點(diǎn)產(chǎn)生毒性的重要機(jī)制之一。Derfus等[40]的實(shí)驗(yàn)研究表明，被硫基乙酸修飾的CdSe量子點(diǎn)可以釋放Cd2+，進(jìn)而導(dǎo)致肝細(xì)胞死亡。此外，最新的研究發(fā)現(xiàn)，硫化物源可通過清除自由基的方式以抑制量子點(diǎn)中重金屬離子的釋放，并起到緩解細(xì)胞毒性的作用[41]。

4 量子點(diǎn)對秀麗隱桿線蟲毒性大小的影響因素(Factors affecting the toxicity of quantum dots to Caenorhabditis elegans)

4.1 染毒濃度和染毒時(shí)間

近年來，多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，染毒濃度與量子點(diǎn)濃度有著直接的關(guān)系且細(xì)胞的活性隨著CdTe量子點(diǎn)濃度的增加而逐漸降低[39]。此外，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，細(xì)胞活性也隨著染毒時(shí)間的增加而逐漸下降[39]。

4.2 尺寸和粒徑大小

4.3 表面電荷

有研究表明量子點(diǎn)的表面電荷同樣會(huì)影響細(xì)胞的活性，F(xiàn)eswick等[42]通過模擬納米顆粒在不帶電、帶正電荷和帶負(fù)電荷的3種CdTe/ZnS量子點(diǎn)暴露下的吸收情況，發(fā)現(xiàn)帶負(fù)電荷CdTe/ZnS量子點(diǎn)暴露下的納米顆粒吸收程度更大。

5 總結(jié)與展望(Conclusion and prospect)

秀麗隱桿線蟲作為體內(nèi)模型已經(jīng)成功地應(yīng)用于評估量子點(diǎn)的潛在毒性，但是鑒于線蟲本身特色和納米毒理學(xué)的復(fù)雜性，應(yīng)用秀麗隱桿線蟲進(jìn)行量子點(diǎn)毒理學(xué)研究的優(yōu)勢以及局限性總結(jié)在表1中?？傮w來說，量子點(diǎn)的毒性大小與量子點(diǎn)的暴露方式、尺寸和修飾材料、表面電荷息息相關(guān)，此外，在評估秀麗隱桿線蟲中量子點(diǎn)的生物安全性時(shí)，需要考慮一些關(guān)鍵因素。在進(jìn)行遺傳分析時(shí)，重要的是選擇2個(gè)或更多個(gè)候選物作為參考基因，其可以為秀麗隱桿線蟲中的納米毒理學(xué)研究產(chǎn)生更可靠的結(jié)果?？傮w而言，使用秀麗隱桿線蟲模型作為多重靈活平臺(tái)不僅用于監(jiān)測量子點(diǎn)的體內(nèi)結(jié)果，而且還用于模擬體內(nèi)環(huán)境。秀麗隱桿線蟲的研究結(jié)果提供了有助于了解量子點(diǎn)潛在風(fēng)險(xiǎn)的信息，特別是在環(huán)境水平上。不僅僅是量子點(diǎn)，其他納米材料的毒性也將以秀麗隱桿線蟲為模型獲得更加確切的體內(nèi)毒性評估結(jié)果。

表1 應(yīng)用秀麗隱桿線蟲進(jìn)行ODs毒性研究的優(yōu)劣勢Table 1 The strengths and weaknesses of applying nematodes C. elegans in studying toxicity of QDs

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