林文斌等人 JACS：首次報道！納米級MOLs同時測定GSH和pH，以檢測線粒體失調和化療耐藥性

【背景介紹】

線粒體是細胞的能量來源，其對許多潛在的有害分子進行嚴格的體內平衡控制。若線粒體內穩態失調，則可以阻止細胞增殖并引起細胞死亡。谷胱甘肽（GSH）是一種維持細胞氧化還原平衡的抗氧化劑，在胞漿中合成并分布于不同的亞細胞室。其中，線粒體內GSH在維持細胞存活的適當氧化還原環境中起著關鍵作用。正常線粒體的pH值呈堿性，線粒體失調影響離子內流，并在線粒體膜上產生質子梯度，降低線粒體基質的pH值。因此，線粒體中GSH和pH傳感器的發展可以揭示線粒體失調的重要見解，并為理解各種病理生理過程提供機會。納米級金屬有機骨架（nMOFs）是由金屬-含氧團簇二級結構單元（SBUs）和有機橋連配體構建而成，已應用于化學和生物傳感領域。然而，橋連配體和nMOFs的小孔的嚴格對稱性阻礙了其多功能化，并限制了它們在大分子傳感中的應用。但是，納米級金屬有機層（nMOLs）不僅保留了nMOFs的分子可調性、結構規則性、組成多樣性，而且還具有高密度的開放位點，可以進行多功能化和大型分析物的檢測，為生物系統中多種分析物的比率傳感器的設計提供了一個通用的平臺。

【成果簡介】

近日，美國芝加哥大學林文斌教授（通訊作者）等人報道了一種基于三重發射態的nMOL的生物傳感器（NA@Zr-BTB/F/R），用于線粒體中比率GSH和pH傳感。Zr-BTB-nMOL中含有[Zr₆O₄(OH)₄(HCO₂)₆] SBUs和2, 4, 6-三（4-羧基苯基）苯胺（BTB-NH₂）配體，通過交換SBUs上的甲酸酯封端基團與GSH選擇性(2E)-1-（2’-萘基）-3-（4-羧基苯基）-2-丙烯-1-酮（NA）進行合成后官能化，并且共價絡合pH-敏感的異硫氰酸熒光素（FITC，F）和不依賴GSH/pH的羅丹明-B異硫氰酸鹽（RITC，R）到BTB-NH₂配體上，得到NA@Zr-BTB/F/R。通過熒光法和共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）研究表明，NA@Zr-BTB/F/R可作為一種可靠、準確的線粒體GSH和pH比率傳感器，用于檢測線粒體失調和化療耐藥性。研究成果以題為“Nanoscale Metal-Organic Layers Detect Mitochondrial Dysregulation and Chemoresistance via Ratiometric Sensing of Glutathione and pH”發布在國際著名期刊 J. Am. Chem. Soc.上。

【圖文解讀】

圖一、NA@Zr-BTB/F/R的結構和作用原理示意圖
（a）NA@Zr-BTB/F/R的結構示意圖，其中NA覆蓋Zr₆ SBUs、FITC和RITC共價連接至BTB-NH₂配體；

（b）在NA、FITC和和RITC通道與10 mM GSH在37°C下孵育15 min后，NA@Zr-BTB/F/R的激發光譜和發射光譜；

（c）陽離子NA@Zr-BTB/F/R比率法檢測線粒體失調、GSH消耗和基質酸化。

圖二、NA@Zr-BTB/F/R的表征
（a-d）NA@Zr-BTB/F/R的TEM圖像、帶有FFT圖案的HRTEM圖像、AFM形貌以及Zr-BTB的高度輪廓；

（e）對比Hf₆-BTB MOL的模擬模式，新制備或在37°C下與40 mM GSH孵育4 h的Zr-BTB和NA@Zr-BTB/F/R的PXRD圖譜；

（f）與40 mM GSH或HEPES孵育的NA@Zr-BTB/F/R的時間依賴性熒光響應。

圖三、NA@Zr-BTB/F/R的熒光性能
（a）在pH=7.4下，不同GSH濃度的NA@Zr-BTB/F/R的NA發射光譜；

（b）在不同的GSH濃度下，NA@Zr-BTB/F/R的NA、FITC和RITC熒光強度；

（c）NA@Zr-BTB/F/R在無GSH的不同pH值下的FITC發射光譜；

（d）在不同pH值下，NA@Zr-BTB/F/R的NA、FITC和RITC熒光強度；

（e-f）NA@Zr-BTB/F/R的NA熒光與RITC熒光的比率圖和FITC熒光與RITC熒光的比率圖。

圖四、NA@Zr-BTB/F/R的靶向性能
（a-c）在孵育4 h后，Zr-BTB/R（紅色）在A2780細胞中的亞細胞定位；

（d）通過Zr ICP-MS測量在線粒體中Zr-BTB/R和NA@Zr-BTB/F/R的時間依賴性富集。

圖五、NA@Zr-BTB/F/R的細胞成像
（a）具有NA@Zr-BTB/F/R的順鉑或HEPES處理的A2780和A2780cis細胞的高分辨率比例熒光成像代表圖；

（b-c）在A2780和A2780cis細胞有無順鉑孵育后，NA@Zr-BTB/F/R檢測到的具有GSH消耗和基質酸化的線粒體失調。

【小結】

綜上所述，作者構建了第一個用于同時檢測GSH和pH的nMOL。用NA取代Zr₆ SBUs上的FA基團，并且使FITC和RITC與BTB-NH₂配體共價絡合NA@Zr-BTB/F/R作為線粒體靶向的比率納米傳感器，可以獨立監測活細胞中的GSH和pH。通過細胞成像，利用CLSM揭示了線粒體失調與GSH缺失和基質酸化的定量證據。總之，該項工作促進了基于nMOL的比率生物傳感器的發展，將用于其他生物分析物，并為細胞水平的病理生理條件提供新的見解。

文獻鏈接：Nanoscale Metal-Organic Layers Detect Mitochondrial Dysregulation and Chemoresistance via Ratiometric Sensing of Glutathione and pH（J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c11764）

通訊作者簡介

林文斌教授于 1994 年在美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校化學系獲博士學位。1994 至 1997 年在美國西北大學從事博士后研究。1997 年至 2001 年在美國布蘭迪斯大學化學系任助理教授。2001 年到 2013 年任職于美國北卡羅來納大學教堂山分校，并于 2011 年被聘為 Kenan 杰出教授。2013 年起擔任美國芝加哥大學化學系 James Frank 教授席位。系中國科學院海外顧問組成員，香港研究資助委員會自然科學部委員(2012-2013 年度兼任主席)， 美國國立衛生研究院 NANO Study Section 常務會員。2011 年入選美國科學促進會會士(AAAS fellow)。

林文斌教授所領導的研究團隊是國際上最早進行理性設計合成金屬－有機框架材料的團隊之一，主要研究領域為功能材料、手性催化、光催化、納米醫學及化學藥物設計等。林文斌教授研究組在 2005 年首次成功開發出有高手性選擇性的金屬有機框架化合物不對稱催化劑，同時在利用金屬有機框化合物發展非線性光學材料及人工光合作用方面的研究走在國際前列，所發展的具有二階非線性光學性質的金屬有機材料是是最早進行晶體工程方法控制金屬有機化合物的嘗試之一。近年來，林文斌教授團隊創造性地開發了多種基于金屬有機框架納米粒子的生物可降解性、高藥物載量以及分子可調控性的新型納米抗癌藥物并率先報導了局部納米藥物遞送用于局部免疫激活與系統性免疫治療相結合的癌癥治療新思路。為了推動相關產品的臨床轉化，林文斌教授創立了名為 Coordination Pharmaceuticals 的生物醫藥公司，目前已有三種藥物開始臨床 I 期研究。

林文斌教授目前已在包括 Nat. Chem., Nat. Biomed. Eng., Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed 等世界頂級雜志上發表近 400 篇文章，文章被引用超過 56000 次 (h-index ≥113) ，同時他還擔任多本著名雜志的顧問，比如 Chem. Sci., Chem. Mater., ACS Catal, Inorganic Chemistry Frontiers 和Asian J. Org. Chem.等，林文斌教授在科研工作中取得的卓越成就，使其于2009年入選由發表文章影響因子確定的1999-2009年度全球“十大化學家”(“Top ten chemists”，by Thomson Reuters)。

本文由CQR編譯。

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