江南大學徐麗廣&匡華JACS：手性核-殼納米組裝體用于體內活性氧的定量監測和成像

【研究背景】

活性氧（ROS）（超氧化物、過氧化氫、羥基自由基等）在許多生理過程中起著關鍵作用，對健康和疾病起著至關重要的作用。ROS參與細胞生長和分化中的信號傳遞，通過刺激細胞因子的產生來調節炎癥、清除病原體和外來顆粒。但ROS缺乏或過剩會引起ROS相關的疾病。ROS缺乏可導致免疫功能異常，進而導致慢性肉芽腫病。ROS過量則會導致細胞死亡、器官損傷和多種疾病。因此，快速準確的測定ROS水平是非常重要的。在過去的幾十年里，已經開發了一系列用于檢測ROS的探針（特別是熒光探針和電化學傳感器）。但它們的應用有時會受到生物相容性差、靈敏度低和光漂白效應的限制。近年來，手性納米材料因其在手性傳感、光電子學和不對稱催化等領域的潛在應用而引起了廣泛關注。

【成果簡介】

近日，江南大學徐麗廣教授和匡華教授聯合制備了由上轉換納米粒子（UCNP）核和手性NiSx NPs封裝的沸石咪唑酸酯骨架結構材料-8（ZIF-8）殼（UCNP@ZIF-NiSx）組成的納米雜化組件。利用手性光學信號和熒光信號，雙模納米組裝可以用于定量監測活性氧（ROS），此處以過氧化氫（H₂O₂）作為活細胞中的模型驗證目標。研究結果表明，隨著NiXs的降解，UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體變成了UCNP@ZIF納米組件，并且成功地在體內對ROS進行了定量的和選擇性檢測。該文章近日以題為“Chiral Core-Shell Upconversion Nanoparticle@MOF Nanoassemblies for Quantification and Bioimaging of Reactive Oxygen Species in Vivo”發表在知名期刊JACS上。

【圖文導讀】

圖一、使用UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體檢測ROS示意圖

圖二、UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體的結構表征

（A）UCNP@ZIF納米結構TEM圖像。

（B）UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體的TEM圖像（插圖是納米組件中NiSx的高分辨率TEM圖像）。

（C）UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體的高分辨率TEM圖像。

（D）單個UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體的暗場TEM圖像和對應的Y、Yb、Zn、Ni、S元素mapping。

圖三、UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體的結構演變和化學狀態表征

（a）UCNP-PVP、ZIF-8和UCNP@ZIF-NiSx納米組裝物的XRD譜圖。

（b）UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體的XPS譜圖。

圖四、UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體對ROS的響應

（A）UCNP@ZIF-NiSx納米組裝物CD信號的變化。

（B）UCNP@ZIF-NiSx納米組裝物在體外對不同濃度H₂O₂反應的UCL光譜。

（C）UCNP@ZIF-NiSx納米組裝物在體外響應其他活性氧(100μM)和其他不同的共存物(1mM)時的CD信號。

（D）UCNP@ZIF-NiSx納米組裝物在體外響應其他活性氧(100μM)和其他不同的共存物（1mM）時的UCL強度。

圖五、UCNP@ZIF-NiSx納米組裝物在活細胞中的CD和UCL信號對H₂O₂的雙模檢測

（A）探針預處理后的PCS-460-010細胞與不同濃度的H₂O₂反應的共聚焦圖像。（a1）0.18μM （a2）1.47μM （a3）4.89μM （a4）7.7μM （a5）10.2μM

（B）對應熒光比的H₂O₂標準曲線（I₆₆₀/I₅₄₀）。

（C，D）用不同濃度的H₂O₂進一步處理預孵育的HeLa細胞的CD光譜。

圖六、UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體在活細胞和體內的應用

（A）PCS-460-010、HeLa和SK-MEL-2細胞經UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體處理后的共聚焦圖像。

（B）荷瘤小鼠體內ROS的UCL成像。等摩爾的UCNP@ZIF-NiSx納米組裝體被皮下注射到腫瘤中（左：探針探查腫瘤；右：用N-乙酰半胱氨酸預處理腫瘤，然后注射探針）在注射后的不同時間點進行熒光成像。（b1）對照組 （b2）0min （b3）10min （b4）20min （b5）30min （b6）40min

【結論展望】

綜述所述，本文作者制備了UCNP@ZIF-NiSx 納米組裝體，包括一個UCNP（NaYF4:Yb³⁺/Er³⁺）核和一個手性NiSx構建NPs修飾的MOF殼。利用青霉胺作為配體合成了手性NiSx NPs，其CD信號對活性氧種類具有敏感度高且具有選擇性等優勢。通過將UCNP@ZIF-NiSx納米組裝物轉化為UCNP@ZIF納米組件，從而超靈敏的選擇性的檢測H₂O₂。作者設想這種雙反應納米組裝平臺可以擴展到診斷生物標志物，這一策略將有效促進手性納米組裝在生物方面的應用。

文獻鏈接：Chiral Core?Shell Upconversion Nanoparticle@MOF Nanoassemblies for Quantification and Bioimaging of Reactive Oxygen Species in Vivo (J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b09360)

課題組簡介：

匡華教授：江南大學食品科學與技術國家重點實驗室教授。以手性納米生物探針構建為主線，致力于分子識別、信號放大與傳感新策略的研究。以通訊作者或第一作者在J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater., Nano Lett., Nat. Commun.,等權威期刊發表論文60余篇；授權中國/美國發明專利14件。全部論文被引用3000余次。研究工作多次受到Science, Nature?系列期刊及國際權威科學家的正面引用和評述。從2015年開始擔任Science Bulletin期刊（材料科學）的副主編；入選教育部新世紀優秀人才計劃（2012），獲得江蘇省杰出青年基金支持（2014），入選中組部青年拔尖人才計劃（2014），獲得國家自然科學基金委優秀青年基金支持（2015），入選教育部“青年長江”學者計劃（2015），入選中青年領軍人才（2016）。

徐麗廣教授：江南大學食品學院教授，博士生導師。分別于2009年和2012年獲江南大學碩士和博士學位，導師為胥傳來教授，期間于美國密歇根大學從事博士后研究，合作導師Nicholas A. Kotov教授。目前，主要從事生物分析方面的工作。先后承擔了江蘇省杰出青年基金、國家自然科學基金和國家重點研發計劃等多個項目。近5年，以第一作者或者通訊作者發表SCI期刊論文25篇，其中IF>10.0共10 篇。以第一發明人獲國家授權發明專利29 項。榮獲2017年度國家科技進步獎二等獎和2018年度江蘇省科學技術（基礎類）一等獎等多個國家及省部級獎勵。

本文由大兵哥供稿。

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