随着材料科学的发展,越来越多的金属相关的纳米材料应用于生物层面,用于成像、示踪、诊断、治疗等,然而相对于对材料功能的探索,这些材料的生物安全性,尤其是在亚细胞层面的生物安全性,研究还比较少。线粒体是真核细胞中产能的细胞器,也通常作为亚细胞层面的模型。本论文考察了两种量子点对线粒体结构与功能的影响。同时,在研究材料与细胞或亚细胞相互作用时,金属离子的释放是不可忽视的重要因素。离子对线粒体的作用机制虽是基础研究,但是为今后评估药物和材料的毒理或药理,提供了理论依据。随着当今世界从类寿命的延长、人口的老龄化,一系列伴随的问题接踵而至。年龄依赖的疾病如阿尔茨海默症、帕金森症等,发病率也越来越高,有研究认为,重金属积累和线粒体功能受损都是这些疾病的重要诱导因素。因此本论文将这些关键词联系起来,研究阿尔茨海默症中的关键蛋白与离体线粒体的相互作用。本论文主要内容共有五章:第一章:本章对线粒体的结构与功能、与多种疾病之间的联系以及线粒体靶向药物进行了详细的介绍;同时,介绍了量子点等新型材料的生物相容性,以及微量热方法的研究与进展。第二章:选取大鼠作为研究模型,将线粒体从肝脏组织中提取出来,用多种手段表征其结构与功能,并在离体状态下,用高精度微量热仪研究不同的线粒体工具药对其能量代谢的影响。研究发现:通过本章采取的方法,离体线粒体的结构完整、活性在几小时内保持较高的水平,证明了体外实验可行性;多种工具药对线粒体的能量代谢产生了不同的影响,并与这些药物对人体的作用基本相符合。第三章:本章研究了 Ag2S和CuInS2两种量子点与线粒体的相互作用。Ag2S是一种小粒径近红外量子点,相比普通的量子点有独特的生物应用优势;CuInS2是一种核壳结构的三元量子点,被报导有良好的成像、示踪等功能,同时还具有光热效应。研究发现,Ag2S对线粒体的形貌、肿胀、膜电势、离子渗透、脂质过氧化、活性氧(ROS)以及能量代谢均无影响;而CuInS2三元量子点则显示出了对线粒体肿胀、离子渗透、膜电势降低的诱导作用,对ROS的含量与脂质过氧化则有抑制作用。由于线粒体易成为带正电物质的靶标,而Ag2S量子点表面修饰物以羧基为末端,且Ag原子被硫化后降低了其生物活性,因此对线粒体没有毒性。CuInS2三元量子点,由于其复杂的成分,对线粒体的作用可能是由多种组分共同作用的结果。第四章:基于两种量子点与线粒体相互作用的结果,我们选择了相应的三种金属离子,Ag+、Cu2+和In3+,考察其在离体线粒体层面的毒性。研究发现,这三种不同价态的过渡金属离子都对线粒体产生毒性,但是毒性剂量和毒性机理各不相同。Ag+对线粒体的损伤是非特异性的,5μM即可造成线粒体功能的破坏。Cu2+通过诱导MPTP开放和促进质子向基质渗透,进一步引起了线粒体功能的损伤,其显著损伤剂约为50 μM。In3+对线粒体毒性最小,通过引起氧化应激并抑制离子通道造成线粒体的损伤,但是这一过程需要较长时间的诱导,因此损伤剂量约为1 mM。第五章:本章以与线粒体功能退化有关的阿尔茨海默症为出发点,研究了该疾病中的关键蛋白Aβ与离体线粒体的相互作用,并用等温滴定量热法测量了 Aβ的聚集焓变,37 ℃时约为-2200 kJ/mol。研究结果还发现,Aβ的聚集是可逆过程,且在40℃及以上并不发生聚集。三种不同状态的Aβ1-42对线粒体的影响并不相同,说明了 Aβ的聚集状态是其毒性大小的关键因素。同时我们选取不了发生聚集的Aβ1-16片段,发现其对Ca2+诱导的线粒体损伤有保护作用。本章实验结果为寻找治疗阿尔茨海默症的药物提供了思路。