江南大学徐丽广&匡华JACS：手性核-壳纳米组装体用于体内活性氧的定量监测和成像

【研究背景】

活性氧（ROS）（超氧化物、过氧化氢、羟基自由基等）在许多生理过程中起着关键作用，对健康和疾病起着至关重要的作用。ROS参与细胞生长和分化中的信号传递，通过刺激细胞因子的产生来调节炎症、清除病原体和外来颗粒。但ROS缺乏或过剩会引起ROS相关的疾病。ROS缺乏可导致免疫功能异常，进而导致慢性肉芽肿病。ROS过量则会导致细胞死亡、器官损伤和多种疾病。因此，快速准确的测定ROS水平是非常重要的。在过去的几十年里，已经开发了一系列用于检测ROS的探针（特别是荧光探针和电化学传感器）。但它们的应用有时会受到生物相容性差、灵敏度低和光漂白效应的限制。近年来，手性纳米材料因其在手性传感、光电子学和不对称催化等领域的潜在应用而引起了广泛关注。

【成果简介】

近日，江南大学徐丽广教授和匡华教授联合制备了由上转换纳米粒子（UCNP）核和手性NiSx NPs封装的沸石咪唑酸酯骨架结构材料-8（ZIF-8）壳（UCNP@ZIF-NiSx）组成的纳米杂化组件。利用手性光学信号和荧光信号，双模纳米组装可以用于定量监测活性氧（ROS），此处以过氧化氢（H₂O₂）作为活细胞中的模型验证目标。研究结果表明，随着NiXs的降解，UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体变成了UCNP@ZIF纳米组件，并且成功地在体内对ROS进行了定量的和选择性检测。该文章近日以题为“Chiral Core-Shell Upconversion Nanoparticle@MOF Nanoassemblies for Quantification and Bioimaging of Reactive Oxygen Species in Vivo”发表在知名期刊JACS上。

【图文导读】

图一、使用UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体检测ROS示意图

图二、UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体的结构表征

（A）UCNP@ZIF纳米结构TEM图像。

（B）UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体的TEM图像（插图是纳米组件中NiSx的高分辨率TEM图像）。

（C）UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体的高分辨率TEM图像。

（D）单个UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体的暗场TEM图像和对应的Y、Yb、Zn、Ni、S元素mapping。

图三、UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体的结构演变和化学状态表征

（a）UCNP-PVP、ZIF-8和UCNP@ZIF-NiSx纳米组装物的XRD谱图。

（b）UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体的XPS谱图。

图四、UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体对ROS的响应

（A）UCNP@ZIF-NiSx纳米组装物CD信号的变化。

（B）UCNP@ZIF-NiSx纳米组装物在体外对不同浓度H₂O₂反应的UCL光谱。

（C）UCNP@ZIF-NiSx纳米组装物在体外响应其他活性氧(100μM)和其他不同的共存物(1mM)时的CD信号。

（D）UCNP@ZIF-NiSx纳米组装物在体外响应其他活性氧(100μM)和其他不同的共存物（1mM）时的UCL强度。

图五、UCNP@ZIF-NiSx纳米组装物在活细胞中的CD和UCL信号对H₂O₂的双模检测

（A）探针预处理后的PCS-460-010细胞与不同浓度的H₂O₂反应的共聚焦图像。（a1）0.18μM （a2）1.47μM （a3）4.89μM （a4）7.7μM （a5）10.2μM

（B）对应荧光比的H₂O₂标准曲线（I₆₆₀/I₅₄₀）。

（C，D）用不同浓度的H₂O₂进一步处理预孵育的HeLa细胞的CD光谱。

图六、UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体在活细胞和体内的应用

（A）PCS-460-010、HeLa和SK-MEL-2细胞经UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体处理后的共聚焦图像。

（B）荷瘤小鼠体内ROS的UCL成像。等摩尔的UCNP@ZIF-NiSx纳米组装体被皮下注射到肿瘤中（左：探针探查肿瘤；右：用N-乙酰半胱氨酸预处理肿瘤，然后注射探针）在注射后的不同时间点进行荧光成像。（b1）对照组 （b2）0min （b3）10min （b4）20min （b5）30min （b6）40min

【结论展望】

综述所述，本文作者制备了UCNP@ZIF-NiSx 纳米组装体，包括一个UCNP（NaYF4:Yb³⁺/Er³⁺）核和一个手性NiSx构建NPs修饰的MOF壳。利用青霉胺作为配体合成了手性NiSx NPs，其CD信号对活性氧种类具有敏感度高且具有选择性等优势。通过将UCNP@ZIF-NiSx纳米组装物转化为UCNP@ZIF纳米组件，从而超灵敏的选择性的检测H₂O₂。作者设想这种双反应纳米组装平台可以扩展到诊断生物标志物，这一策略将有效促进手性纳米组装在生物方面的应用。

文献链接：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)

课题组简介：

匡华教授：江南大学食品科学与技术国家重点实验室教授。以手性纳米生物探针构建为主线，致力于分子识别、信号放大与传感新策略的研究。以通讯作者或第一作者在J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater., Nano Lett., Nat. Commun.,等权威期刊发表论文60余篇；授权中国/美国发明专利14件。全部论文被引用3000余次。研究工作多次受到Science, Nature 系列期刊及国际权威科学家的正面引用和评述。从2015年开始担任Science Bulletin期刊（材料科学）的副主编；入选教育部新世纪优秀人才计划（2012），获得江苏省杰出青年基金支持（2014），入选中组部青年拔尖人才计划（2014），获得国家自然科学基金委优秀青年基金支持（2015），入选教育部“青年长江”学者计划（2015），入选中青年领军人才（2016）。

徐丽广教授：江南大学食品学院教授，博士生导师。分别于2009年和2012年获江南大学硕士和博士学位，导师为胥传来教授，期间于美国密歇根大学从事博士后研究，合作导师Nicholas A. Kotov教授。目前，主要从事生物分析方面的工作。先后承担了江苏省杰出青年基金、国家自然科学基金和国家重点研发计划等多个项目。近5年，以第一作者或者通讯作者发表SCI期刊论文25篇，其中IF>10.0共10 篇。以第一发明人获国家授权发明专利29 项。荣获2017年度国家科技进步奖二等奖和2018年度江苏省科学技术（基础类）一等奖等多个国家及省部级奖励。

本文由大兵哥供稿。

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