Adv. Mater.：超灵敏纳米探针以单细胞器的分辨率数字化细胞器内的pH值

【引言】

生物响应纳米材料有一系列的应用，如生物传感、自愈合、组织工程、和药物递送。与单分子传感器相比，纳米颗粒传感器能够通过里面组分的协同作用放大信号，然而能够将微小变化转化为分散的信号而不引入背景信号的传感器仍然没有。

内涵体、溶酶体和其它与异化作用相关的细胞器被认为是信号转换的中心，它能够维持代谢平衡以及调节细胞和组织对养分有效性的响应。内涵体/溶酶体调节功能的异常与一系列的疾病有关，如老年痴呆症、溶酶体储存病、自身免疫性疾病等，虽然它们如此重要，但是目前还没有方法能够监测它们的动态成熟过程。pH值是内涵体成熟的标记，在这个过程中pH值从7.2连续减少到4.5以下。传统的小分子探针要经过扩散、富集和激活过程才能成像，并且pH值和探针浓度对信号强度都有贡献（不能区分信号是由哪个因素引起的）。

【成果简介】

最近北京大学汪贻广、美国德克萨斯大学达拉斯西南医学中心的高金明（共同通讯作者）报道了一种利用对pH超灵敏的纳米探针（HyUPS ）来对活细胞内吞相关的细胞器进行成像和酸化过程的量化的方法。这种探针由共轭不同荧光团的三种嵌段共聚物混合组成，每种嵌段共聚物都对特定的pH值敏感（分别为6.9,6.2和5.3）。开始时探针不发荧光，当pH值低于敏感值时，相应的共聚物就发出荧光，观察荧光就可以知道pH值处于哪一个范围（如果1和0分别代表有和没有某种荧光，则pH的范围从高到低可以分为000,100,110,111），并且它的分辨率可以达到单个细胞器，可以用来研究内吞相关的细胞器的成熟过程。

【图文导读】

图1 HyUPS被肿瘤细胞内吞后对其细胞器pH值的数字化的示意图

HyUPS在pH为7.4时处于关闭状态，被内吞之后，相应的共聚物从纳米颗粒中依次脱离并且发出荧光，可以用0和1组成的条形码对细胞器成熟的三个过程进行数字化。

图2 HyUPS探针的体内表征

（a-d）HyUPS在pH值不同的缓冲液中的荧光光谱；

（e）纳米颗粒的数量（实心点）和不同激发信号（空心点）与pH值的关系；

（f）不同pH值下HyUPS的荧光图片，绿色和红色结合得到黄色，绿色、红色和蓝色结合得到白色。

图3 在活的癌细胞内利用HyUPS对单个内吞相关细胞器进行实时追踪

（a）用HyUPS得到的不同时间下细胞器的成熟状态图；

（b）细胞器在不同pH范围内的分布；

（c）用HyUPS对单个细胞器进行实时追踪，插图是白色箭头方向的放大图。

图4 在活细胞内用HyUPS对细胞器的成熟进行成像

（a）HBEC30KT 肺上皮细胞；

（b）同基因的HCC4017 肺癌细胞。两者对比表明癌细胞内吞相关细胞器的成熟速率远大于普通细胞。

文献链接：Digitization of Endocytic pH by Hybrid Ultra-pH-Sensitive Nanoprobes at Single-Organelle Resolution（Adv. Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201603794）

本文由材料人生物材料组陈昭铭供稿，材料牛编辑整理。

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