2021年10月6日，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所（基礎(chǔ)所）生物醫(yī)學(xué)工程系張衛(wèi)奇團(tuán)隊(duì)與美國康奈爾大學(xué)醫(yī)學(xué)院Ching Tung教授合作在ACS Nano發(fā)表了“A Hybrid Nanogel to Preserve Lysosome Integrity for Fluorescence Imaging”的論文。該研究發(fā)展了一種新型的復(fù)合納米凝膠作為溶酶體標(biāo)記物，通過主動去除成像過程中的光毒性，簡易地實(shí)現(xiàn)了高效低毒的活細(xì)胞熒光成像。
溶酶體是細(xì)胞中最主要的細(xì)胞器之一，廣泛參與了細(xì)胞代謝、信號通路、細(xì)胞膜修復(fù)與細(xì)胞死亡等各類生命活動。溶酶體的異常與代謝紊亂、神經(jīng)退行性疾病、感染以及腫瘤等疾病密切相關(guān)。活細(xì)胞熒光成像為溶酶體的研究提供了強(qiáng)有力的工具，已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究。在現(xiàn)有的溶酶體熒光標(biāo)記物設(shè)計過程中，人們主要關(guān)注溶酶體成像的高效性、特異性和穩(wěn)定性，而成像過程中固有的光毒性常被忽略。實(shí)際上，在熒光染料標(biāo)記細(xì)胞或組織后，成像過程中的光照將不可避免地激發(fā)染料分子產(chǎn)生活性氧物質(zhì)（ROS），從而導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞以及毒性的產(chǎn)生，即光毒性（phototoxicity）。通過減少熒光成像過程中的光激發(fā)時間或強(qiáng)度，可以在一定程度上避免光毒性的產(chǎn)生，但目前仍缺少有效的方法主動去除活細(xì)胞熒光成像過程中的光毒性。
為了克服活細(xì)胞熒光成像過程中的光毒性，該研究發(fā)展了一種同時包含鉑納米顆粒（PtNP）和熒光染料阿的平（Quinacrine，Qu）的復(fù)合納米凝膠（HA/Pt/Qu）。在該納米凝膠標(biāo)記細(xì)胞溶酶體后，利用其包含的PtNP的類超氧化物歧化酶（SOD）特性，在原位去除光激發(fā)Qu產(chǎn)生的ROS，成功實(shí)現(xiàn)了熒光成像過程中光毒性的主動去除（圖1）。
圖1 復(fù)合納米凝膠HA/Pt/Qu介導(dǎo)的低光毒性活細(xì)胞熒光成像。（A）HA/Pt/Qu的成像示意圖。（B）活細(xì)胞的實(shí)時熒光成像（90秒連續(xù)光激發(fā)）。
通過研究發(fā)現(xiàn)，在活細(xì)胞實(shí)時成像過程中，商業(yè)化溶酶體染料LysoTracker表現(xiàn)出明顯的光漂白現(xiàn)象（圖1B）。另外，單獨(dú)Qu標(biāo)記的細(xì)胞中，光激發(fā)產(chǎn)生的ROS導(dǎo)致溶酶體結(jié)構(gòu)的破壞，造成了染色的非特異性。而在HA/Pt/Qu標(biāo)記的細(xì)胞中，溶酶體結(jié)構(gòu)保持完整，且整個成像過程中熒光信號穩(wěn)定特異。進(jìn)一步的機(jī)制研究表明，HA/Pt/Qu可以有效清除成像過程中產(chǎn)生的ROS，維持溶酶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并提高細(xì)胞的活性。該復(fù)合納米凝膠具有制備簡單與成本低廉的特點(diǎn)，同時其包含的染料可以簡易置換成其它波段的熒光分子，有望為溶酶體生物學(xué)的研究提供更為安全和高效的示蹤工具。
該研究受到中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程（CIFMS 2019-I2M-1-004）、北京市科技新星計劃（Z201100006820110）、協(xié)和青年基金（3332019064）以及醫(yī)學(xué)分子生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題（2060204）的資助。基礎(chǔ)所張衛(wèi)奇副研究員為第一兼通訊作者，康奈爾大學(xué)Ching Tung教授為共同通訊作者。同時，該研究相關(guān)成果已獲得一項(xiàng)中國專利（CN110227061B）。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05864
基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所
