QDs功能化量子點生物效應研究進展

關鍵詞：

西安瑞禧生物的熒光量子點

Fluorescent Quantum Dots 熒光量子點Fluorescent Nanocrystals 熒光納米晶核殼熒光量子點

CdSe-ZnS quantum dots   硒化鎘-硫化鋅量子點 CdS-ZnS quantum dots ZnSe/ZnS-PEG-NH2

硫化鎘-硫化鋅熒光量子點 InP-ZnS quantum dots 磷化銦-硫化鋅熒光量子點

ZnSe-ZnS quantum dots 硒化鋅-硫化鋅熒光量子點 ZnSe/ZnS量子點

油溶性量子點ZnSe/ZnS  ZnSe量子點  ZnSe/ZnS 熒光量子點CdSe/ZnS量子點

InP/ZnS量子點 InP/ZnS Quantum Dots  CdS/ZnS量子點  油溶性CdS/ZnS QDs

水溶性量子點   ZnSe/ZnS，CdS/ZnS，CdSe/ZnS，InP/ZnS量子點ZnSe/ZnS-PEG-COOH

一、量子點的生物功能化及應用

   量子點是由II－VI 或 III－V元素組成的納米級半導體晶體顆粒，功能性量子點是在半導體晶體表面包覆功能殼，這層表面修飾材料起到保護和穩定量子點，并賦予量子點生物活性的作用。由III－V元素組成的量子點有磷化銦(InP)、砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)等；由II－VI元素組成的量子點有硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、硒化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)等。近也有報道不含重金屬元素的量子點[3－4]。的雜合量子也有報道[5]，如CdTe/CdSe，CdSe/ZnTe，PbSe等。目前以CdSe、CdTe量子點為。的量子點只有裸露的晶體顆粒，不溶于水，沒有生物學應用。因此，要用親水性的材料對其包覆修飾，賦予水溶性性質和生物活性才有應用。經過包覆的量子點組份的穩定性增，水溶性也增。為實現量子點的生物靶向性，需要在其表面化學修飾的基礎上，通過化學偶聯、靜電作用、反應、鏈親和素與結合等方法將靶向生物分子(如核酸、蛋白和具有特定生物功能的小分子等)連接到量子點表面，使其具有功能化活性，以實現抗原_抗體、受體_配體、DNA互補序列、核酸識體_靶、_底物等特異性識別。同時，可以根據量子點與外界的相互作用情況考慮其穩定性和耐受能力，進一步設計出聯接適合某種特定生物應用的特種功能化量子點。例如，用聚乙二醇(PEG)基團包覆可以賦予量子點的生物相容性，并使之具有能與器相互作用的能力，同時又具有熒光標記的作用；而在巰基乙酸包覆的基礎上偶聯球蛋白可以賦予量子點的靶向功能。這種聯接通常是通過靜電吸附、螯合或形成共價鍵實現的。此外，可利用量子點發射光譜隨尺寸變化的特點，采用不同粒徑大小的量子點(發射不同顏色熒光)進行多色分類標記。由于QDs的吸收譜較寬而發射譜很窄，與不同生物分子共軛后，可實現多分子成像。控制好量子點的條件，可以得到用途的量子點，并應用在定位標記、活體學成像、測序和芯片中核酸標記、早期與以及載體等諸多領域。

二、功能化量子點的體外效應

   隨著制備功能化量子點技術不斷提，兼具靶向性、示蹤性、與性的多功能納米顆粒不斷涌現，開展功能化量子點的共性與個性化理學評價已成為必需。由于功能化量子點的、工藝各異，而對其理評價存在差異，因此各實驗的理學研究結果之間缺少可比性。但已有的研究結果均表明，功能化量子點的主要由本身的理化性質和所處外部條件決定。

三、功能化量子點的組分及其粒徑大小與

   量子點的成分具有的，同時量子點的納米級粒徑決定了它的比表面積，因此可產生烈的吸附作用。這種吸附作用導致量子點容易在內不斷累積并滯留，引起效應。

   CdS量子點納米顆粒和CdS微米顆粒驗證量子點組分及粒徑引起的。用MTT法測定CHL活力，結果表明，當CdS納米顆粒和CdS微米顆粒兩組濃度小于20 μg/ml 時，CdS納米顆粒比CdS微米顆粒具有的。但兩組的濃度大于40 μg/ml時，它們之間的就不存在差異。在濃度低于40 μg/ml，CdS微米顆粒不會引起活性氧簇(reactive oxygen species, ROS)增多，而CdS量子點會使內的ROS提20％～30％。CdS量子點與孵化24 h后，有20％的Cd2＋從CdS 量子點晶格中釋放出來，并與胞內由CdS量子點粒徑引起產生的過量ROS一起耗盡還原型谷胱甘肽，從而引起。量子點在水中容易聚集，引起聚集的原因是水溶液中存在二價離子。在二價離子的存在下，10 min內量子點可從15 nm聚集成500 nm， 隨后可進一步形成800 nm的聚合物。

   如果用不含CaMg2＋的PBS處理量子點，其分散狀態可以維持2 h以上而不出現聚集。因此，將CdTe_HS_CH2_COONa量子點溶解在無Ca2＋和Mg2＋的PBS中保持量子點均勻分散狀態，進一步處理Caco_2時，其0.1 μg/ml的濃度即可引起接觸受抑并導致。但用TEER檢測聚集的量子點對的影響時，并未發現這類出現效應。因此這種是由量子點本身的納米級粒徑引起的，而不是Cd2＋從晶格中流出或包覆材料巰基乙酸鈉引起的。CdTe量子點在中的分布與顆粒大小有關，粒徑的量子點(2r=5.2±0.1 nm)主要集中在的胞漿，而粒徑較小的量子點(2r=2.2±0.1 nm)則分布在核區域。

因此，粒徑小，引發可能也大。

四、功能化量子點的包覆材料對的影響

   用13～156 μg /ml的CdTe量子點和CdTe/ZnTe 量子點與Panc_1孵化24 h后，發現沒有經過表面修飾的各實驗濃度CdTe 量子點均比用ZnTe 修飾后的CdTe/ZnTe 量子點的。活力從60％下降到20％，且隨量子點的濃度增大而進一步降低。用卵母體外(in vitro maturation，IVM)檢測CdSe量子點和CdSe/ZnS量子點的生殖，也證明經過ZnS修飾后量子點的降低[10]。這些實驗都表明用ZnS 或ZnTe 包覆CdSe 或CdTe 后，量子點的降低。晶體外表面的包覆材料可以穩定晶格，避免金屬離子的流失，從而起到降低量子點成分所引起的效應。Deka等將CdSe量子點用CdS、ZnS和PEG包覆，做成CdSe(dot)/ZnS_PEG 量子點、CdSe(dot)/CdS(rod)_PEG納米棒和CdSe(dot)/CdS(rod)/ZnS_PEG納米棒，然后分別在5、50和500 μmol/L 三種濃度下與HeLa孵化24 h[11]。MTT活力測定結果表明，CdSe(dot)/CdS(rod)/ZnS_PEG納米棒的低于CdSe(dot)/CdS(rod)_PEG納米棒，而后者的低于CdSe(dot)/ZnS_PEG 量子點。這說明量子點的經過單層包覆后晶格穩定,的就低。而經過雙層不同材料包覆的量子點穩定性、性也。但是多層包覆會使量子點的三維直徑增大而不利于量子點穿透進入靶組織或經過出體外。

   量子點的效應也可能是由外層的水溶性包覆材料引起的。5種包覆材料(MUA, cysteamine,  thioglycerol, TOPO and ZnS)對WTK1的效應。這些材料與孵化12 h后，MUA(11_Mercaptoundecanoic acid)在劑量大于100 μg/ml 時出現并導致DNA，Cysteamine的很弱，而thioglycerol幾乎沒有。TPOP 和ZnS 都具有的。用40 nmol/ml的CdTe/CdSe/ZnS量子點，外層分別包覆聚苯乙烯微珠、PEG_COOH，PEG_NH2，處理J774.A1后，結果發現聯接聚苯乙烯微珠的兩種不同粒徑的量子點都能進入J774.A1，而聯接PEG_COOH的量子點也能被吞噬，但聯接PEG_NH2的量子點在激光共聚焦顯微鏡下未觀察到進入的跡象。聯接聚苯乙烯微珠的量子點使的活力降低，而其它兩組并未發現這種效應。這說明量子點的表面包覆材料決定了量子點是否被攝取，并在攝取后，參與引起。

可見，包覆材料的類型將影響量子點的效應。

五、外影響量子點穩定性從而呈現不同效應

   功能化量子點的除了與表面修飾材料直接相關外，外對量子點的整體結構的穩定性具有的影響。由于量子點通過吞噬作用進入，吞飲小泡會轉移到內的溶體。溶體的酸性及含有多種水解類可能會對量子點的穩定性構成威脅。

   可見，功能量子點具有的與其自身組分、粒徑、表面包覆材料理化性質、結構穩定性等因素相關。不同材料的表面包覆修飾對功能量子點的影響。因此，對具有特定功能的量子點的需要進行的綜合評價。

六、功能化量子點的體內效應

   用于在體的功能化量子點的效應評價，一方面考慮功能性量子點成分、顆粒粒徑大小、包覆材料的性質、量子點整體的穩定性等因素，另一方面還應結合途徑進行評價，因量子點進入體內的途徑不同，其代動力學，蓄積以及均不同。所以，不要低或的功能性量子點，還應確定量子點應用于和的可接受劑量。

   (1)、量子點的途徑對效應的影響

分別用3 600 pmol/L和720 pmol/L劑量的CdSe/ZnS_carboxyl量子點靜脈注射小鼠，可引起部血栓，而且CdSe/ZnS_carboxyl量子點主要分布在、和中。用QD620通過靜脈滴注血脂ApoE－/－模型小鼠，24 h后發現小鼠出現急性部和水腫，同時引起壞死。此外，觀察不同劑量(45 mg/kg 和10.5 mg/kg)的CdSe0.25 Te 0.75/CdS_ MUA量子點在體內短期和的分布與。結果表明經尾靜脈注射45 mg /kg 的量子點，短期內并未發生急性，注射10.5 mg/kg 量子點，7周也沒有發現、脾、、腎、淋巴結等組織器官的異常。用CdSe/ZnS_AFP_Ab(QD590)靶向標記荷HCCLM6 裸鼠，并未發現急性效應。再用20 μmol/L，0.2 ml/10   g劑量的QD/ZnS_MAA_AFP_Ab尾靜脈注射裸鼠，1周后觀察無中反應，對血清丙氨酸轉氨、天冬氨酸轉氨和尿素氮水平無影響。用480 μg/kg CdTe晶格通過靜脈注射到雄性大鼠，并未出現的功能性效應和理變化。

   消化道的胃部具有酸性可以破壞量子點的晶格，因此經過消化道后量子點可能出現效應。研究CdSe/ZnS 量子點在Wistar大鼠消化道的分布和穩定性，發現口服的CdSe/ZnS_fat和CdSe/ZnS量子點在經過消化道后都被降解，但是CdSe/ZnS_fat量子點的穩定性比CdSe/ZnS量子點，不過兩者都可能存在由Cd2＋釋放引起的效應。研究發現QD621_PEG對皮膚的穿透性很低。研究結果表明，皮膚對量子點的吸收與其形狀大小和包覆的材料有關。用粒徑30 nm的量子點處理SKH_1研究紫外線對皮膚與量子點吸收的關系，結果表明在沒有紫外線照射下，量子點在24 h內只滯留在生發層的角質層，經過紫外照射后，量子點就會由于而進入深層的組織。研究表明QD620經部吸入后可引發小鼠程度輕緩的。這些研究都說明量子點與消化道、皮膚和呼吸道接觸后，都會造成機體不同程度的，同時這種與量子點所處的因素相關，酸性、光和氧都會加劇量子點的在體內效應。

因此，設計出對酸、光和氧有耐受能力的量子點對于應用意義深遠。

(2)、量子點在體內的與蓄積

可能是量子點初造成影響的。在研究包覆不同材料的量子點在小鼠體內的分布時，發現量子點在各器官和組織的分布與時間和量子點粒徑大小相關。例如，QD_PEG小的量子點很快從中，而大的量子點就需要花較長的時間才從中。實際上，沒有經過功能化的量子點可以進入絕大多數，因此可以在很多類型的組織中分布。但經過功能化的量子點只有少的量進入非靶向的組織。很多研究都表明量子點主要分布在、脾、、腎、淋巴結組織，中的量子點終是通過網狀內皮被。量子點可以在網狀內皮滯留數月之久。這表明網狀內皮可能會受到量子點的損害。量子點在體內的蓄積部位與蓄積時間都是研究其的參數，而且這也與所用的劑量有關系。因此，蓄積對機體可能存在影響。

量子點的粒徑和大的比表面積會使其在體內的滯留時間延長。例如，在大鼠注射3種不同的CdSe/ZnS_QDs，表面分別包覆MAA(Mercaptoacetic acid)、lysine和牛血清白蛋白(BSA)。結果發現三種量子點在體內的分布是不同的，但在10天內并未在尿液和糞便中檢測出量子點，說明量子點全部滯留在體內。進入體內的粒徑小于5.5 nm量子點可以通過排泄出體外，但是量子點通過排泄還與包覆材料有關。例如QD515_胰島素在血中的半衰期只有8.8 min，在身體的半衰期是1.9 h，而QD515_IgG在血中的半衰期是330 h，在體內的半衰期是730 h。許多研究表明有一部分的量子點會滯留在體內而不被排出。

因此，當用量子點作為標記物時，就有研究由其滯留引起的慢性。

多數研究表明，QDs能在全身各處組織器官分布并累積。由于QDs的類型眾多，因此其吸收、分布、和排泄的方式也各異。QD的材料組成成分、顆粒尺寸大小、表面包覆材料的生物活性、光和氧化狀態以及其結構的穩定性不但決定其，同時也決定了它的吸收、分布、和排泄的方式。

七、量子點生物機制

   量子點的生物機制尚不清楚，部分研究表明量子點的與晶格核中的重金屬釋放有關。即使在低的濃度下，重金屬離子對也很。Cd2＋在內的半衰期是15～20年，可以累積在組織中，同時它還能穿透血腦屏障和胎盤。如果量子點的泄露出Cd2＋，那么就會在體內引起ROS和氧化脅迫導致。這種現象與量子點晶格存在光解和容易被氧化的缺點有關。當量子點進入內后，這個缺點表現為突出。量子點的包覆結構一旦降解，量子點晶格便可釋放Cd2＋等重金屬離子。但是Cd2＋不是引起的因子。在檢測用MPA(mercaptopropionic acid)、Cysteamine和NAC(N_acetylcysteine)包覆的CdTe量子點和CdSe量子點引起的MCF_7內Cd2＋濃度的變化時，發現CdSe量子點在檢出限以上沒有檢測到Cd2＋，而CdTe量子點根據包覆材料的不同，可使內的Cd2＋濃度提到30 nmol/L，甚150 nmol/L。但是不同的CdTe量子點引起的Cd2＋濃度與活力之間并沒有劑量_效應關系，這表明量子點的不是單一由Cd2＋引起的。激光共聚焦掃描結果發現，經過CdTe量子點處理的，由于Cd2＋和ROS濃度提，導致溶體嚴重。這些結果均表明CdTe量子點誘導的是通過Cd2＋、ROS和溶體脹大增加通透性及其在內重分布定位共同引起的。

ROS產生的確是量子點引起的一部分原因，但是胞漿中的Ca2＋對ROS引起的也起到進作用。Tang等用CdSe量子點研究海馬神經元胞漿Ca2＋濃度的變化。結果表明量子點可以通過胞外Ca2＋內流和胞內Ca庫，提胞漿Ca2＋濃度。而Ca2＋內流主要是通過Na＋通道，部分是通過N_型Ca2＋通道。

   此外，量子點的光可以引起膜出現大的裂孔，并引起DNA的氧化。盡管QDs可以引起DNA，但是很快被修復。因此，QDs能否引發發生依然存在爭議。研究發現CdTe_NAC可以引起SH_SY5YFas蛋白表達上調并引起膜脂質的過氧化，從而導致凋亡。

西安瑞禧生物可以提供的量子點產品：

產品簡介：分散在甲苯溶液中油溶性的CdS-ZnS核殼熒光量子點，表面基團為alkyl

Product name: CdS-ZnS Core/Shell Quantum Dot in Toluene

Emisson tolerance: ±10 nm

FWHM（半峰寬）: 25-35 nm

Quantum yield(量子產率):  50%-90%

Surface group: alkyl

Concentreation：5mg/ml

Solvent: Toluene

Storage: 4-25℃ in the dark, Do not freeze ,12 months

產品簡介：分散在甲苯溶液中油溶性的InP-ZnS核殼熒光量子點，表面基團為alkyl

Product name: InP-ZnS Core/Shell Quantum Dot in Toluene

Emisson tolerance: ±10 nm

FWHM（半峰寬）: 25-35 nm

Quantum yield(量子產率):  50%-90%

Surface group: alkyl

Concentreation：5mg/ml

Solvent: Toluene

Storage: 4-25℃ in the dark, Do not freeze ,12 months

產品簡介：分散在甲苯溶液中油溶性的CdSe/ZnS核殼熒光量子點，表面功能化活性基團為NH2-Amine functional ligands氨基。

Product name: CdSe/ZnS Core/Shell Quantum Dot in Toluene

Emisson tolerance: ±10 nm

FWHM（半峰寬）: 25-35 nm

Quantum yield(量子產率):  50%-90%

Surface group: Amine(NH2)

Concentreation：5mg/ml

Solvent: Toluene

Storage: 4-25℃ in the dark, Do not freeze ,12 months

聚苯乙烯修飾CdSe/ZnS熒光量子點

PVB/QDs聚乙烯醇縮丁醛修飾量子點

氨基羧基修飾熒光量子點

巰基功能化熒光量子點

DSPE-PEG磷脂修飾量子點

CdTe近紅外量子點

RGD多肽修飾量子點QDs

BSA包裹的ZnS量子點(BSA-ZnS QDs)

溶菌(Lyz)修飾量子點

MPA包裹的ZnS量子點(MPA-ZnS QDs)

牛血清白蛋白修飾水溶性CdTe量子點

玉米醇蛋白修飾的硫化鎘量子點

白蛋白納米粒修飾量子點

3-巰基丙酸修飾的CdSe/ZnS量子點

PAA-DSPE修飾的CdSe量子點

L-半胱氨酸修飾的CdTe量子點

近紅外量子點CuInS2/ZnS

巰基環糊精修飾量子點CD@QDs

水溶性CdSe@ZnS量子點

巰基修飾的 CdSe/ZnS 量子點

谷胱甘肽 (GSH)修飾的CdTe量子點

溶菌修飾的CdTe量子點

聚乙烯亞胺(PEI)修飾量子點

殼聚糖包裹AgInS2熒光量子點

多糖海藻酸鈉包裹量子點

羧甲基纖維素/溶菌修飾量子點

葡聚糖、蛋白質、淀粉、纖維素修飾熒光量子點

生物蛋白多糖多肽修飾熒光量子點

MAA修飾ZnO量子點

聚合物表面修飾量子點

PAA-PEG-FA氨基聚合物修飾量子點

氨基修飾的ZnO量子點

CdSe量子點修飾物DSPE-PAA

聚3-甲基噻吩修飾量子點，光電化學修飾量子點

近紅外PbS量子點

聚倍半硅氧烷POSS修飾量子點

修飾碳量子點

二氧化硅聚合物修飾水溶性Cdse/ZnS熒光量子點

偶氮苯修飾CdSe/ZnS核殼量子點

PEG-PLA修飾核殼量子點

聚丙烯酸修飾核殼水溶性量子點

聚3-己基噻吩/硒化鎘量子點，P3HT修飾CdSe量子點

噻吩聚合物改性CdSe量子點

CdSe/P3HT復合納米晶

PAMAM修飾量子點

巰基丙酸(MPA)修飾CdSe/ZnTe量子點

聚馬來酸十六醇酯,PMAH修飾量子點

PNIPAM修飾熒光硅量子點

QDs/PLGA

二氧化硅包覆的碳量子點

脂質體包裹的CdTe復合量子點

Fe3O4@CdSe四氧化三鐵熒光量子點

二氧化硅包裹量子點

PMMA修飾熒光量子點

PC@ QDs聚碳酸酯修飾量子點

聚丙烯酸功能化量子點

巰基吡啶表面功能化CdTe量子點

氨基功能化熒光碳量子點

功能化磁性納米量子點

生物功能化碳量子點

半胱胺功能化CdSe/ZnS量子點

PbS/CdS核/殼型量子點

聚乙烯亞胺修飾熒光量子點PEI@QDs

石墨烯量子點功能化金納米粒子

PEI功能化石墨烯量子點

蛋氨酸功能化石墨烯量子點

組氨酸功能化石墨烯量子點

十二胺功能化石墨烯量子點

甘氨酸功能化石墨烯量子點

磁珠熒光量子點

N摻雜碳量子點

雙功能石墨烯量子點

透明質酸修飾熒光量子點