量子點(diǎn)遺傳毒性研究進(jìn)展

何克宇，唐萌（教育部環(huán)境醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院&蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心；江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009）

量子點(diǎn)遺傳毒性研究進(jìn)展

何克宇，唐萌
（教育部環(huán)境醫(yī)學(xué)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，東南大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院&蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心；江蘇省生物材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009）

有關(guān)量子點(diǎn)（QD）的遺傳毒性作用研究取得了一定進(jìn)展。研究顯示，QD進(jìn)入內(nèi)環(huán)境后通過產(chǎn)生活性氧和釋放有毒內(nèi)核離子這兩種機(jī)制產(chǎn)生遺傳毒效應(yīng)。彗星實(shí)驗(yàn)及微核實(shí)驗(yàn)表明，QD產(chǎn)生的遺傳毒效應(yīng)主要是DNA損傷和染色體畸變。DNA損傷和染色體畸變的程度受多個(gè)影響因素控制：QD濃度越高毒效應(yīng)越強(qiáng)；QD粒徑越小越易進(jìn)入細(xì)胞核并產(chǎn)生遺傳損傷；表面帶負(fù)電荷的QD毒性更強(qiáng)；裸核QD的毒性比外殼包覆的QD毒性強(qiáng)。另外，QD在不改變細(xì)胞遺傳物質(zhì)的條件下，通過表觀遺傳學(xué)改變也可產(chǎn)生遺傳效應(yīng)，使有害效應(yīng)持續(xù)存在。

量子點(diǎn)；DNA損傷；活性氧；納米材料

量子點(diǎn)（quantum dots，QD）因其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)特性被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，尤其是生物醫(yī)學(xué)和生物科技領(lǐng)域［1-2］。在為人們帶來進(jìn)步和便利的同時(shí)，QD的潛在毒性也不可忽視。QD的肺毒性［3-4］、生殖毒性［5-7］和神經(jīng)毒性［8-9］等毒性已被全球多個(gè)實(shí)驗(yàn)室證實(shí)，QD越來越廣泛地應(yīng)用也增加了暴露風(fēng)險(xiǎn)。深入進(jìn)行QD的毒理學(xué)研究工作，闡明QD對(duì)健康的影響和機(jī)制，并采取相應(yīng)技術(shù)手段（如化學(xué)修飾等）降低QD毒性，將QD毒性控制在可接受范圍，才能使QD更為安全地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文就QD的遺傳毒性、毒作用機(jī)制、毒作用影響因素以及表觀遺傳毒性方面進(jìn)行了綜述。

1 QD遺傳毒性

遺傳毒性是指外源化學(xué)物對(duì)遺傳物質(zhì)產(chǎn)生損害的能力，遺傳毒性實(shí)驗(yàn)是毒理學(xué)安全性評(píng)價(jià)中必不可少的環(huán)節(jié)，所以在過去的近20年中，國內(nèi)外學(xué)者們通過各種實(shí)驗(yàn)對(duì)QD的遺傳毒性已經(jīng)有了初步的描述和評(píng)價(jià)。

QD的遺傳毒性表現(xiàn)主要是氧化應(yīng)激造成的DNA斷裂和染色體畸變，而埃姆斯實(shí)驗(yàn)（基因突變）多呈陰性［10］。染色體數(shù)目異常相關(guān)研究未見相關(guān)報(bào)道。

1.1 DNA損傷

單細(xì)胞凝膠電泳實(shí)驗(yàn)又稱彗星實(shí)驗(yàn)，是一種快速檢測(cè)單細(xì)胞DNA損傷的實(shí)驗(yàn)方法。通過彗星實(shí)驗(yàn)已對(duì)多種QD的DNA損傷作用進(jìn)行了驗(yàn)證。Rocha等［11］使用碲化鎘量子點(diǎn)（CdTe QD）對(duì)貽貝染毒3，7和14 d，各染毒組淋巴細(xì)胞均發(fā)生DNA損傷，且損傷隨時(shí)間加重。Katsumiti等［12］使用硫化鎘量子點(diǎn)（CdS QD）對(duì)貽貝血細(xì)胞染毒，彗星實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示導(dǎo)致DNA損傷。李艷博等［13］使用巰基乙酸包覆的CdTe QD 12.50，25.00和50.00 mg·L-1染毒人正常肝HL-7702細(xì)胞24 h，均出現(xiàn)顯著性DNA損傷，并且DNA損傷率隨濃度升高也逐漸升高。Munari等［14］觀察到CdS QD 0.01～1.00 mg·L-1染毒RTG-2細(xì)胞24 h，各濃度組均有顯著性DNA損傷，并且損傷程度呈濃度-效應(yīng)相關(guān)趨勢(shì)，但暴露48 h后，上述濃度組均不出現(xiàn)顯著性DNA損傷，考慮是細(xì)胞自身DNA損傷修復(fù)的結(jié)果。Aye等［15］采用ip給藥方式，用經(jīng)修飾具有脂/水兩親性的硒化鎘/硫化鋅量子點(diǎn)（CdSe/ZnS QD）對(duì)大鼠進(jìn)行染毒，并取不同組織細(xì)胞進(jìn)行彗星實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果顯示，腦、肝和睪丸組織細(xì)胞均可觀察到顯著DNA損傷，而在腎和肺組織細(xì)胞中未觀察到顯著DNA損傷。說明QD在進(jìn)入機(jī)體后分布具有一定靶向性，可以在特定部位蓄積并產(chǎn)生相應(yīng)毒效應(yīng)，同時(shí)QD經(jīng)修飾后能通過生物屏障并對(duì)靶組織產(chǎn)生損傷。當(dāng)然各組織器官受損程度還可能與其特殊的代謝反應(yīng)和對(duì)損傷的修復(fù)能力有關(guān)，不同組織受損的具體機(jī)制仍待探討。除彗星實(shí)驗(yàn)外，QD染毒細(xì)胞其他生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果也支持DNA損傷這一結(jié)論。Ju等［16］使用γ-組蛋白2A變異體焦點(diǎn)形成作為判斷DNA斷裂的指標(biāo)，結(jié)果也證明了QD具有DNA損傷作用。

1.2 染色體畸變

染色體畸變是較為嚴(yán)重的遺傳損傷。通常用光學(xué)顯微鏡在細(xì)胞有絲分裂中期即可見，謝廣云等［17］通過鏡下染色體畸變分析觀察到CdTe QD可致經(jīng)代謝活化的CHL細(xì)胞畸變率顯著性升高。在外周血微核實(shí)驗(yàn)中，ip給大鼠CdSe/ZnS QD 0.05 μg·kg-1即可出現(xiàn)外周血網(wǎng)織紅細(xì)胞微核率顯著性上升，并且微核率與染毒劑量之間存在正相關(guān)關(guān)系［15］。CHO細(xì)胞是體外微核實(shí)驗(yàn)常用細(xì)胞，經(jīng)CdSe/ZnS QD染毒后，在最低染色體斷裂濃度3.8 μg·L-1，同樣出現(xiàn)了微核率的顯著上升［10］。

另外也有諸多證據(jù)表明，QD可通過調(diào)節(jié)凋亡相關(guān)基因和影響凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路兩種方式誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。QD可通過誘導(dǎo)胱天蛋白酶家族表達(dá)、下調(diào)p53和Bcl-2基因表達(dá)、能使細(xì)胞凋亡因子Fas系統(tǒng)和干預(yù)線粒體等介導(dǎo)的凋亡信號(hào)通路誘發(fā)細(xì)胞凋亡［18-19］，而細(xì)胞凋亡的重要特征就是DNA片段化和染色質(zhì)固縮。

目前關(guān)于QD遺傳毒性研究的觀察終點(diǎn)是類似的，根據(jù)損傷程度大小可分為DNA斷裂和染色體斷裂。損傷大小一定程度上取決于染毒劑量和染毒時(shí)間，染毒劑量越高損傷程度越嚴(yán)重，而染毒時(shí)間對(duì)損傷程度的影響有別，在一定染毒時(shí)間內(nèi)QD可對(duì)DNA產(chǎn)生顯著損傷，若損傷程度控制在一定程度內(nèi)，由于細(xì)胞自我修復(fù)機(jī)制，損傷可在一定時(shí)間內(nèi)被修復(fù)而呈現(xiàn)陰性結(jié)果。

2 QD遺傳毒性機(jī)制

目前關(guān)于QD引起遺傳毒性效應(yīng)的完整機(jī)制尚無定論，但國內(nèi)外專家的觀點(diǎn)主要集中在活性氧（reactive oxygen species，ROS）的生成和QD內(nèi)核釋放這兩方面原因。

2.1 活性氧生成

蛋白質(zhì)磷酸化是細(xì)胞信號(hào)傳遞過程重要環(huán)節(jié)，ROS可通過影響多種蛋白激酶、磷酸酶發(fā)揮細(xì)胞調(diào)節(jié)作用。ROS對(duì)激活因子蛋白-1和NF-κB家族也有重要調(diào)控作用［20-21］。過量ROS生成可對(duì)細(xì)胞造成嚴(yán)重氧化損傷。研究證實(shí)，CdTe QD能生成單線態(tài)氧（1O2）［22］。同時(shí)QD染毒能引起ROS升高，多個(gè)實(shí)驗(yàn)已證實(shí)QD染毒可激活細(xì)胞DNA修復(fù)［23］，引起超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和過氧化氫酶等抗氧化酶的升高［24］。1O2在QD的作用下在細(xì)胞內(nèi)可進(jìn)一步產(chǎn)生其他ROS，如羥自由基（·OH）和過氧化氫（H2O2）?！H能夠奪取DNA胸腺嘧啶上甲基的氫原子和核糖的氫原子，也能插入到與胸腺嘧啶C5=C6雙鍵，形成各種羥基衍生物，致使DNA損傷［22］。Anas等［22］認(rèn)為，ROS對(duì)DNA堿基的損傷有兩種方式，一是鳥嘌呤與1O2之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生鳥嘌呤陽離子自由基最終形成8-羥基鳥嘌呤核苷。另一種方式是·OH直接插入到鳥嘌呤核苷的C8位置形成8-羥基核堿基，隨后重新排列為8-氧鳥苷或2，6-二氮基-5-甲酰-4-羧基鳥嘌呤。

此外，外源抗氧化劑的應(yīng)用能減少遺傳損傷，也使ROS能部分解釋QD遺傳毒性。Aye等［10］發(fā)現(xiàn)，CdSe/ZnS QD 3 mg在黑暗條件下可引起DNA顯著損傷，抗氧化劑麥角硫因使其毒性作用降低50%。Luo等［25］的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸（N-acetyl-L-cysteine，NAC）對(duì)QD染毒細(xì)胞DNA的保護(hù)作用。

上述實(shí)驗(yàn)證明，QD能產(chǎn)生1O2以及其他ROS，QD對(duì)細(xì)胞染毒后細(xì)胞內(nèi)ROS升高，持續(xù)對(duì)DNA產(chǎn)生損傷作用。其機(jī)制主要是ROS能與DNA堿基結(jié)合形成各種羥基衍生物，破壞DNA結(jié)構(gòu)。細(xì)胞內(nèi)ROS升高會(huì)激活細(xì)胞自身抗氧化途徑，細(xì)胞內(nèi)超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶、過氧化氫酶等升高可作為ROS生成和細(xì)胞氧化應(yīng)激狀態(tài)的生物標(biāo)識(shí)，這些抗氧化酶以及抗氧化劑的使用能減少ROS產(chǎn)生的遺傳損傷，促進(jìn)細(xì)胞自身修復(fù)。

2.2 QD內(nèi)核釋放

除了細(xì)胞內(nèi)過量ROS釋放之外，還有一部分研究者認(rèn)為QD內(nèi)核釋放也能一定程度上解釋QD遺傳毒性。由于機(jī)體內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，QD在進(jìn)入機(jī)體后經(jīng)過一系列的消化、代謝可導(dǎo)致QD外殼被破壞，內(nèi)部金屬離子釋放，產(chǎn)生或增強(qiáng)遺傳毒性效應(yīng)。

經(jīng)研究證實(shí)，經(jīng)光照或酸性環(huán)境處理后，QD的毒性顯著上升［10］，與環(huán)境因素導(dǎo)致外殼被破壞、QD內(nèi)核釋放有關(guān)。實(shí)驗(yàn)常采用以鎘為內(nèi)核的QD，鎘能抑制DNA甲基化，也能與位于DNA大溝的鳥嘌呤結(jié)合導(dǎo)致堿基損傷［26］，在濃度＞1 μmol·L-1時(shí)能抑制DNA合成，而＜1 μmol·L-1時(shí)會(huì)增強(qiáng)DNA合成和細(xì)胞增殖［27］。Cd2+不僅能損傷DNA，還能抑制DNA修復(fù)。實(shí)驗(yàn)表明，Cd2+能抑制一些DNA修復(fù)蛋白，其中包括錯(cuò)配系統(tǒng)中的Msh2-Msh6復(fù)合物和Msh2-Msh3復(fù)合物、核苷酸修復(fù)系統(tǒng)的著色干皮病A蛋白以及堿基切除修復(fù)系統(tǒng)的甲酰胺基嘧啶糖基化酶、人類8-氧鳥苷DNA糖苷酶、脫嘌呤/脫嘧啶核酸內(nèi)切酶和多聚ADP核糖聚合酶［10］。

研究證實(shí)，核殼結(jié)構(gòu)的QD遺傳毒性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裸核QD［27］，使用QD外殼材料甲基聚乙二醇（methyl polyethylene glycol，M-PEG）與M-PEG包裹的CdS QD染毒細(xì)胞，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同條件下M-PEG包裹的CdS QD具有遺傳毒性而單獨(dú)的M-PEG外殼并無遺傳毒性［14］。

上述實(shí)驗(yàn)說明，QD的遺傳毒性來源于內(nèi)核，QD毒性與其內(nèi)核的離子毒性具有相似性，QD內(nèi)核的釋放會(huì)產(chǎn)生或加重QD的遺傳毒性。然而內(nèi)核釋放也不能完全解釋QD遺傳毒性。有研究發(fā)現(xiàn)，在Cd2+濃度相同的條件下，以鎘為內(nèi)核的核殼結(jié)構(gòu)的QD毒性要高于CdCl2溶液［24］。還有研究結(jié)果恰恰相反，常規(guī)CdS毒性高于CdS QD［29］，說明QD的遺傳毒性不完全是由其內(nèi)核毒性的作用。這兩種機(jī)制之間不是孤立的，而是相互聯(lián)系的。鎘離子能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS的升高而引起的DNA氧化損傷，細(xì)胞內(nèi)ROS升高能提供一個(gè)氧化環(huán)境，QD表面氧化會(huì)促進(jìn)內(nèi)核的離子釋放［30］。有研究顯示，低濃度下細(xì)胞毒性的主要機(jī)制是ROS過量，而隨濃度升高主要毒作用機(jī)制就由ROS過量變?yōu)镃d2+釋放，故在一定濃度內(nèi)鎘QD毒性要高于傳統(tǒng)鎘［31］。另外，也有報(bào)道QD能引起細(xì)胞內(nèi)鈣顯著升高［8］，內(nèi)鈣升高導(dǎo)致鈣依賴性內(nèi)源性核酸酶激活，也可能是QD遺傳毒性機(jī)制之一。

3 影響QD遺傳毒性的因素

3.1 QD濃度

QD的遺傳毒效應(yīng)在多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)劑量依賴，超過一定閾劑量后才能產(chǎn)生遺傳毒作用，雖然由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象的差異和實(shí)驗(yàn)條件的不同，閾濃度可能相差較大，但超過閾濃度后通常都可觀測(cè)到隨濃度升高產(chǎn)生損傷也越嚴(yán)重的趨勢(shì)［12-15，32］。濃度依賴的產(chǎn)生可能是由于大量QD產(chǎn)生過量ROS，超過細(xì)胞氧化應(yīng)激代償水平，造成一系列DNA損傷。而使用抗氧化劑NAC后，能升高閾濃度，減少DNA損傷［25］，NAC的保護(hù)機(jī)制有3個(gè)方面［33］：①NAC的巰基使其可黏附在QD表面，使QD穩(wěn)定，減少ROS產(chǎn)生；②NAC自身就具有抗氧化以及提高谷胱甘肽表達(dá)水平的能力；③NAC還能激活抗凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路使存活基因表達(dá)，對(duì)抗應(yīng)激狀態(tài)。

3.2 QD種類與粒徑大小

Munari等［14］使用M-PEG包裹的CdS QD （4 nm）和Ag2S納米粒子（13nm）對(duì)RTG-2染毒，彗星實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CdS QD在0.01 mg·L-1濃度下即可產(chǎn)生遺傳毒性，而Ag2S納米粒子在各濃度下均未表現(xiàn)出顯著性DNA損傷。產(chǎn)生這種差異的原因有可能是QD內(nèi)核不同，也有可能是粒徑的差異，致使兩種納米粒子在細(xì)胞內(nèi)的分布不同以及生物活性差異，使得結(jié)局不同。

由于納米粒子特殊的表面效應(yīng)，使其毒性通常要大于同種常規(guī)材料，QD內(nèi)核粒徑越小生物活性越強(qiáng)，毒性損害也越大。然而，即使同屬納米級(jí)別的2種QD，粒徑上的微弱的差異仍會(huì)產(chǎn)生毒效應(yīng)的區(qū)別。Ju等［34］就使用了兩種內(nèi)核尺寸的CdSe QD （QD-440nm、QD-680 nm）進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，在對(duì)HSF-42細(xì)胞染毒2 h后，QD-680 nm的毒作用便趨于穩(wěn)定，而QD-440 nm DNA損傷則能持續(xù)＞24 h，說明內(nèi)核粒徑越小，QD表現(xiàn)出的生物活性也越強(qiáng)。Lovric等［35］還觀察到兩種尺寸分別2.20 nm和5.30 nm的CdTe QD在細(xì)胞內(nèi)分布的差異，兩種QD的平均直徑，粒徑為5.20 nm的QD對(duì)N9細(xì)胞染毒后主要分布在細(xì)胞質(zhì)，并未進(jìn)入細(xì)胞核；粒徑為2.20 nm的QD在染毒相同時(shí)間后，則主要分布于細(xì)胞核。2種QD粒徑均小于細(xì)胞核膜通道直徑9 nm，但卻在細(xì)胞核中呈現(xiàn)完全不同的分布。其機(jī)制可能是在細(xì)胞環(huán)境中，在生物介質(zhì)的作用下，多個(gè)QD形成共聚體，或者QD與其他細(xì)胞蛋白形成復(fù)合物，使其實(shí)際粒子直徑增大。而2.20 nm的QD形成的聚合物、復(fù)合物較小或者更加不穩(wěn)定，致使兩種粒子通過核膜孔的能力不同。Ipe等［36］的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到，在紫外線照射下，CdSe QD只產(chǎn)生·OH而CdS QD既能產(chǎn)生·OH也能產(chǎn)生超氧自由基（O-2·），說明不同內(nèi)核可能造成代謝產(chǎn)物的種類、數(shù)量以及代謝速率的差異，最終導(dǎo)致毒性效應(yīng)的不同。

3.3 QD外殼及表面修飾

利用包覆材料減小QD毒性是將QD技術(shù)安全應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)的重要手段。QD外殼對(duì)QD遺傳毒性的影響也是十分顯著的，在多個(gè)裸核QD與核殼結(jié)構(gòu)QD的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)，無毒的包覆材料能減少甚至消除QD的遺傳毒性［28，37］。

QD外殼的差異主要表現(xiàn)在外殼的材料、厚度、表面電荷以及功能基團(tuán)的差異［36］。Galeone等［1］使用巰基烷酸、聚馬來酐十八碳烯、聚馬來酐十八碳烯-PEG包被CdSe/ZnS QD染毒果蠅血細(xì)胞，結(jié)果表明，3種QD的生物蓄積量不同，巰基烷酸＞聚馬來酐十八碳烯＞聚馬來酐十八碳烯-PEG，對(duì)DNA產(chǎn)生的損傷程度也不同，其嚴(yán)重程度與蓄積量呈正相關(guān)。Pathakoti等［38］也對(duì)多種外殼材料對(duì)QD遺傳毒性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示聚醚酰亞胺包覆和胺修飾的CdSe/ZnS QD遺傳毒性較明顯，而PEG包覆的各類QD幾乎沒有遺傳毒性。這可能是由于聚醚酰亞胺包覆的QD不僅能進(jìn)入細(xì)胞膜，還能引發(fā)“質(zhì)子海綿效應(yīng)”，即聚醚酰亞胺大量捕獲質(zhì)子，并引起Cl-內(nèi)流，導(dǎo)致溶酶體滲透性腫脹、破裂，顆粒釋放，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)一步導(dǎo)致線粒體損傷和細(xì)胞凋亡［39］；另外，其毒性也可能來自于表面帶正電的胺基基團(tuán)。Hoshino等［40］使用各類化學(xué)基團(tuán)修飾QD，表面電荷負(fù)電位最高的QD-COOH遺傳毒性最為顯著。

上述研究結(jié)果表明，QD的濃度、粒徑、內(nèi)核材料、外殼材料、表面修飾等都能影響QD遺傳毒性。不同QD產(chǎn)生毒性差異的原因首先是內(nèi)核本身毒性大小不同，相同條件下，內(nèi)核毒性高QD整體毒性也高，QD毒性與常規(guī)離子的毒性有一定的相似性。外殼材料的特點(diǎn)影響著有毒內(nèi)核釋放的概率，如果環(huán)境中QD外殼破裂相關(guān)率大，細(xì)胞內(nèi)內(nèi)核離子濃度也會(huì)相對(duì)較高，另外，有些外殼材料或經(jīng)修飾的外殼材料本身就具有毒性，能促進(jìn)細(xì)胞ROS生成或協(xié)助QD穿透生物膜結(jié)構(gòu)，提高毒性。由于QD的表面效應(yīng)，QD尺寸影響著QD的反應(yīng)活性，理論上粒徑越小的QD其反應(yīng)活性越強(qiáng)，毒性也就越強(qiáng)。另外，QD的大小還決定著QD穿過各生物膜的能力，繼而影響QD在細(xì)胞中的分布，造成不同尺寸QD直接攻擊的靶位不同。

4 QD表觀遺傳毒性

研究發(fā)現(xiàn)，QD不僅能造成遺傳物質(zhì)損傷，還可能改變基因尤其是與凋亡相關(guān)基因的表達(dá)水平［41］。Ambrosone［42］觀察到了CdTe染毒引起的凋亡相關(guān)基因myc1、胱天蛋白酶3、bcl-2表達(dá)水平改變，也檢測(cè)到應(yīng)激相關(guān)蛋白，如叉頭框蛋白O類和熱休克蛋白70水平的改變。金屬硫蛋白（metallothionein，MT）基因家族轉(zhuǎn)錄翻譯的MT蛋白能調(diào)控真核生物細(xì)胞及組織內(nèi)鋅的水平和分布。另外，MT還有保護(hù)細(xì)胞，防止有毒金屬和氧化應(yīng)激損傷的功能。Chen等［43］使用不同濃度碲化鎘QD（37.70和300.00 nmol·L-1）染毒HEK293細(xì)胞，染毒組細(xì)胞MT家族基因（MT-1A，MT-1B，MT-1E，MT-1F，MT-1G，MT-1H）表達(dá)均顯著上調(diào)。

目前，關(guān)于QD引起基因表達(dá)水平改變的機(jī)制認(rèn)為，組蛋白是真核生物細(xì)胞核內(nèi)與DNA結(jié)合的堿性蛋白，組蛋白在表觀遺傳調(diào)控中的作用，如基因表達(dá)調(diào)節(jié)、DNA損傷修復(fù)、染色質(zhì)狀態(tài)調(diào)控、細(xì)胞分化［44］等越來越受到重視。未經(jīng)修飾的QD表面帶負(fù)電，能在人類細(xì)胞核內(nèi)、核仁上快速蓄積，并優(yōu)先結(jié)合帶正電的內(nèi)核組蛋白形成QD/蛋白質(zhì)加合物［45］。加合物的形成可能會(huì)影響組蛋白的調(diào)控作用，從而激活、抑制基因或改變基因表達(dá)水平。

內(nèi)核釋放可能是QD表觀遺傳毒性作用機(jī)制之一。其中最常見、研究最多的內(nèi)核就是鎘離子（Cd2+），Cd2+能抑制DNA甲基化、干擾E鈣蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞黏附作用［26］，同時(shí)又能模擬金屬應(yīng)答元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子的Zn2+，從而影響細(xì)胞周期、增殖和分化，干擾DNA表達(dá)、復(fù)制和修復(fù)。對(duì)于含有Cd2+QD抑制雌激素水平同時(shí)又表現(xiàn)出雌激素樣作用的現(xiàn)象［5，46］，研究者們提出了一些猜想：雌激素核受體的C區(qū)是與DNA結(jié)合的重要結(jié)構(gòu)域，Cd2+能與C區(qū)結(jié)合，影響雌激素受體對(duì)相應(yīng)DNA序列轉(zhuǎn)錄調(diào)控的作用［7］。另外，某些毒物能模擬內(nèi)源性配體作用繼而調(diào)節(jié)其下游基因的表達(dá)，所以也可能是Cd2+取代C區(qū)鋅指中的Zn2+，使其直接與雌激素反應(yīng)元件結(jié)合有關(guān)［6］。

QD通過干擾基因轉(zhuǎn)錄、翻譯過程使基因非正常表達(dá)，產(chǎn)生與直接改變遺傳物質(zhì)類似的結(jié)局，這些不良結(jié)局可被修復(fù)也可能產(chǎn)生遺傳效應(yīng)，屬于表觀遺傳毒理學(xué)的研究范疇。QD表觀遺傳毒作用機(jī)制與遺傳毒性機(jī)制有的相似，如兩種主要遺傳毒性機(jī)制ROS生成和內(nèi)核粒子釋放也能引起表觀遺傳改變，造成細(xì)胞內(nèi)mRNA和蛋白質(zhì)數(shù)量、種類異常。當(dāng)然，QD表觀遺傳毒性機(jī)制也有其特殊性，如QD還可通過與組蛋白結(jié)合，干擾組蛋白轉(zhuǎn)錄調(diào)控功能。

5 展望

QD遺傳毒性特點(diǎn)、機(jī)制尚未形成定論。對(duì)于遺傳損傷的檢測(cè)仍是較高劑量下會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的DNA斷裂、染色體畸變甚至細(xì)胞凋亡，今后應(yīng)更加關(guān)注更小劑量下堿基、基因序列及組蛋白等生物學(xué)改變。目前關(guān)于QD毒性機(jī)制的猜測(cè)主要集中與ROS過量和內(nèi)核粒子釋放兩方面，但都不能完美解釋迄今為止觀察到的遺傳損傷現(xiàn)象，兩種猜想其實(shí)又是相互關(guān)聯(lián)的，氧化環(huán)境能促使內(nèi)核釋放，內(nèi)核釋放又能增加ROS釋放，所以兩種機(jī)制共同研究，尋找兩者之間的聯(lián)系，共同解釋QD遺傳毒性是今后研究探索的方向。QD遺傳毒性影響因素眾多，粒子物質(zhì)理化特性、環(huán)境因素、機(jī)體因素以及聯(lián)合作用的差異比較都值得進(jìn)一步研究。同時(shí)QD內(nèi)核、包覆材料、表面修飾、尺寸及劑量等對(duì)于控制QD毒性十分重要，是QD技術(shù)能否安全應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

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（本文編輯：?jiǎn)毯纾?/p>

Research advances in genotoxicity of quantum dots

HE Ke-yu，TANG Meng
（Ministry of Education Key Laboratory of Environmental Medicine Engineering，Jiangsu Key Laboratory for Biomaterials and Devices，Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology，School of Public Health，Southeast University，Nanjing 210009，China）

The genotoxicity of quantum dots（QDs）has been confirmed by a variety of experiments.When QDs are absorbed in an internal environment，genotoxic effects can be induced in two ways.One is through the generation of reactive oxygen species，and the other is via core release.The comet assay and micronucleus test show that the genetic toxicity effects of QDs are DNA damage and chromosome aberrations.The level of QDs′genotoxicity can be affected by many factors.It has been observed that more severe genotoxicnity can be caused by QDs of smaller size or in higher concentrations. Negative charges modified QDs often show more significant genetic damage.However shelled QDs can be less harmful or even harmless.Besides，the epigenetic toxicity of QDs can make the adverse effect persistent，even to the next generation，without any genetic damage.

quantum dots；DNA damage；reactive oxygen species；nanomaterials

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 Natural Science Foundation of China（81473003）；NationalImportantProjectonScientific Research of China （2011CB933404）；and Natural Science Foundation of Jiangsu Province（BK2011606）

TANG Meng，E-mail：tm@seu.edu.cn，Tel：（025）83272564

R394

A

1000-3002-（2015）06-01014-07

10.3867/j.issn.1000-3002.2015.06.021

國家自然科學(xué)基金（30972504）；國家自然科學(xué)基金（81172697）；國家自然科學(xué)基金（81302461）；國家自然科學(xué)基金（81473003）；國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB933404）；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃（自然科學(xué)基金B(yǎng)K2011606）

何克宇，男，博士研究生，主要從事納米毒理學(xué)研究，E-mail：hekeyu@seu.edu.cn；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。

唐萌，E-mail:tm@seu.edu.cn，Tel：（025）83272564

（2015-03-02接受日期：2015-06-01）