用于監(jiān)測(cè)體內(nèi)細(xì)胞外三磷酸腺苷的第二近紅外熒光金屬-有機(jī)框架傳感器

本文要點(diǎn)：目前，可通過(guò)植物納米離子傳感器與專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的納米探針連接，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物中的信號(hào)分子，這些納米探針已被公認(rèn)為獨(dú)立于物種的分析工具。作者發(fā)現(xiàn)了一種有效的NIR-II熒光MOF納米探針作為植物納米離子傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物中的三磷酸腺苷（eATP）信號(hào)。這些納米探針具有優(yōu)異的特性使得能夠在植物環(huán)境脅迫下以優(yōu)異的靈敏度和選擇性非破壞性地實(shí)時(shí)研究eATP信號(hào)傳導(dǎo)波動(dòng)。植物納米離子傳感器作為一組新興的工具，用于快速和大規(guī)模的植物表型研究復(fù)雜信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。

三磷酸腺苷（ATP）是所有生物體的通用能量來(lái)源；它通常以高濃度被限制在細(xì)胞中，并在某些刺激（創(chuàng)傷、炎癥或腫瘤）下釋放到細(xì)胞外基質(zhì)中。釋放到細(xì)胞外的ATP（eATP）被認(rèn)為是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)并誘導(dǎo)動(dòng)物和植物細(xì)胞中的免疫應(yīng)答的信號(hào)傳導(dǎo)分子。植物納米離子傳感器的概念首先由Strano等人提出，并已應(yīng)用于植物信號(hào)分子的體內(nèi)檢測(cè)，其中將設(shè)計(jì)的具有第二近紅外熒光的納米探針注入活體植物中，用于監(jiān)測(cè)信號(hào)分子動(dòng)態(tài)。
 

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作者設(shè)計(jì)了一種基于IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的新型植物納米離子傳感器，用于跟蹤植物葉片切片中eATP的時(shí)空動(dòng)態(tài)。將疏水性近紅外染料（IR-1061）嵌入兩親聚合物（DSPE-mPEG，2000）層中以形成穩(wěn)定的水溶性膠束。金屬有機(jī)骨架（MOF）ZIF-90在這些膠束的表面上生長(zhǎng)，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度增強(qiáng)。將IR-1061膠束@ZIF-90納米探針注射到菠菜葉中，并且由于它們的尺寸而位于細(xì)胞外基質(zhì)中。當(dāng)ZIF-90在體內(nèi)被eATP分解時(shí)，熒光根據(jù)ATP濃度而降低。此外，植物納米離子傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)由環(huán)境脅迫，特別是創(chuàng)傷引起的各種植物中的eATP波動(dòng)。

通過(guò)用兩親聚合物（DSPE-mPEG，2000）和MOF（ZIF-90）連續(xù)包封疏水NIR-II染料（IR-1061）來(lái)合理設(shè)計(jì)納米探針（圖1a）。IR-1061是典型的水不溶性聚甲川NIR-II熒光團(tuán)（圖1b），由于與水分子的猝滅相互作用，其存在水溶液中亮度有限的問(wèn)題。因此，將其包封在兩親性聚合物DSPE-mPEG 2000中（圖1b）以形成IR-1061膠束的親水性納米顆粒。此外，在 IR-1061 膠束上涂覆了對(duì)ATP敏感的MOF層ZIF-90，生成了具有明亮NIR-II熒光發(fā)射的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針。

IR-1061膠束平均尺寸為55.2 nm，在水溶液中顯示出良好的溶解度（圖1c）。IR-1061膠束在水溶液中的吸收峰和發(fā)射峰分別為962 nm和1004 nm，由于IR-1061分子在膠束中的局部環(huán)境與在甲醇中的局部環(huán)境不同，其與在甲醇中的IR-1061相比均藍(lán)移（圖1d）。IR-1061膠束具有較好的光穩(wěn)定性，在808 nm激光照射下10 min，IR-1061膠束的發(fā)光強(qiáng)度保持在90%以上。

IR-1061納米探針通過(guò)MOF ZIF-90在IR-1061膠束周?chē)�生長(zhǎng)來(lái)制備。使用Zn 2+與2-ICA的比例為4：25和10 μM IR-1061膠束的優(yōu)化參數(shù)，制備了尺寸為266.1 nm的均勻和分散的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針（圖1 e和f）。IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的PXRD峰與實(shí)驗(yàn)ZIF-90和模擬ZIF-90的PXRD峰一致，表明IR-1061膠束的包封對(duì)ZIF-90的晶格畸變具有可忽略的影響（圖1g）。

圖1

 

低量子產(chǎn)率是存在于NIR-II熒光團(tuán)中的一般缺點(diǎn)。IR-1061作為典型的NIR-II熒光團(tuán)，在水溶液中顯示有限的亮度。作者發(fā)現(xiàn)，在涂覆ZIF-90后，探針顯示出與IR-1061膠束相比顯著的16.6倍熒光增強(qiáng)，伴隨著NIR-II熒光峰從1004 nm藍(lán)移至924 nm（圖2a和b）。該現(xiàn)象不同于傳統(tǒng)的看法，即在熒光分子周?chē)�涂覆MOF將掩蓋熒光發(fā)射。為了研究這種熒光增強(qiáng)的機(jī)制，作者使用相同的金屬源和不同的有機(jī)配體與ZIF-90合成了幾種MOF以封裝IR-1061膠束（圖2d）。

與IR-1061膠束相比，IR-1061膠束@ZIF-8納米顆粒的熒光在被ZIF-8覆蓋后降低，而IR-1061膠束@ZIF-93納米顆粒的熒光在包封在ZIF-93中后增強(qiáng)3.3倍（圖2c）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測(cè)MOFs中的醛基在增強(qiáng)熒光中起著至關(guān)重要的作用，NIR-II熒光團(tuán)的供體上的吸電子或供電子基團(tuán)的修飾能夠調(diào)節(jié)熒光團(tuán)發(fā)射強(qiáng)度。為了進(jìn)一步證實(shí)，將具有供電子羥基的MOF-74涂覆在IR-1061膠束上，并且相應(yīng)的熒光也降低（圖2c）。通過(guò)將熒光團(tuán)封裝到具有吸電子基團(tuán)的MOF中來(lái)增強(qiáng)NIR-II熒光團(tuán)的亮度是一種新穎的策略。此外，研究了IR-1061膠束@ZIF-90納米探針在水溶液中的NIR-II熒光穩(wěn)定性。納米探針在水溶液中的熒光發(fā)射在24小時(shí)監(jiān)測(cè)期間相當(dāng)穩(wěn)定（圖2 e和g）。

圖2

 

此外，將IR-1061膠束@ZIF-90注射到3周齡菠菜葉的葉片中，以顯示納米探針在活植物中的活力（圖3a）。通過(guò)浸潤(rùn)葉的NIR-II顯微成像，IR-1061膠束@ZIF-90納米探針集中在葉的氣孔和細(xì)胞外基質(zhì)上，表明通過(guò)葉氣孔運(yùn)輸并定位在葉的細(xì)胞外基質(zhì)中（圖3b）。定位于細(xì)胞外的納米探針能夠檢測(cè)創(chuàng)傷誘導(dǎo)的細(xì)胞外ATP產(chǎn)生。滲透到葉子中的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的NIR成像表現(xiàn)出強(qiáng)烈且清晰的NIR信號(hào)（圖3a）。近紅外信號(hào)顯示15 h的背景波動(dòng)可忽略不計(jì)，表明納米探針在植物復(fù)雜基質(zhì)中的穩(wěn)定性質(zhì)。

通過(guò)測(cè)量植物體內(nèi)外源ATP引發(fā)的IR-1061膠束@ZIF-90的近紅外熒光，首次評(píng)價(jià)了IR-1061膠束@ZIF-90納米探針用于體內(nèi)ATP標(biāo)記的可行性。將不同濃度的三磷酸腺苷(ATP)的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針滲透到葉片中，獲得近紅外熒光圖像。隨著ATP濃度的增加，IR-1061膠束@ZIF-90的NIR-II發(fā)射強(qiáng)度逐漸降低(圖3C和d)。ATP濃度在0至100 μM范圍內(nèi)與IR-1061膠束@ZIF90的熒光強(qiáng)度之間存在線性關(guān)系（圖3e）。這表明IR-1061膠束@ZIF-90納米棒能夠檢測(cè)活植物中ATP的異常波動(dòng)。

圖3

 

在非生物脅迫下，如受傷，ATP從植物細(xì)胞中釋放出來(lái)，并通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、胞吐作用和受傷的細(xì)胞質(zhì)膜導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)中eATP濃度增加（圖4a）。eATP是觸發(fā)植物中隨后反應(yīng)的信號(hào)分子。因此，監(jiān)測(cè)eATP是感知植物生理狀況的有效方法。作者檢測(cè)了菠菜創(chuàng)傷產(chǎn)生的eATP（圖4 b）。在使用微針陣列施加創(chuàng)傷應(yīng)激后，NIR-II強(qiáng)度迅速降低，而在沒(méi)有創(chuàng)傷的情況下，用IR-1061膠束@ ZIF-90納米探針包埋的植物葉的對(duì)照側(cè)表現(xiàn)出可忽略的信號(hào)響應(yīng)（圖4 b和c）。這種明顯的信號(hào)差異可能來(lái)源于植物在創(chuàng)傷脅迫下細(xì)胞外基質(zhì)中eATP的增加。將ATP清除劑（腺苷三磷酸酶，ATP酶）引入植物葉中以進(jìn)一步證實(shí)上述eATP誘導(dǎo)的信號(hào)（圖4d）。與沒(méi)有ATP酶處理的對(duì)照樣品相比，ATP酶的應(yīng)用顯著降低了NIR熒光強(qiáng)度變化（圖4 e），這是由于ATP酶對(duì)由于創(chuàng)傷應(yīng)激而釋放的eATP的分解。此外，由于IR-1061膠束@ZIF-90納米探針在復(fù)雜植物基質(zhì)中的穩(wěn)定性質(zhì)，納米探針能夠重復(fù)監(jiān)測(cè)創(chuàng)傷信號(hào)。當(dāng)葉片的相同部位重復(fù)受傷時(shí)，納米探針在每次受傷處理后顯示出連續(xù)且相似的特征性反應(yīng)（圖4f），表明納米探針用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活植物中的eATP信息的可能性。

圖4

 

參考文獻(xiàn)

Qiu Q, Sun S, Yuan H, et al. Second near-infrared fluorescent Metal-Organic framework sensors for in vivo extracellular adenosine triphosphate monitoring.Biosens Bioelectron. Published online February 7, 2024. doi:10.1016/j.bios.2024.116114

 

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