江南大学匡华教授团队JACS：手性核−壳上转换纳米粒子@MOF ​纳米组装物在体内活性氧的定量和生物成像中的应用

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导读

江南大学匡华教授团队设计并制备了一个纳米复合物（UCNP@ZIF-NiSx），是由上转换纳米粒子（UCNP）核和以手性NiSx NPs（以UCNP@ZIF-NiSx表示）包覆的沸石咪唑酯骨架-8（ZIF）壳层组成的杂化纳米组装体。利用手性旋光和荧光信号，双模纳米组装探针可以用于定量监测活细胞中活性氧（ROS）。相关成果发表在 J. Am. Chem. Soc.上。（DOI: 10.1021/jacs.9b09360）

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代谢过程中产生的超氧化物（O^2-）、过氧化氢（H₂O₂）、羟基自由基（·OH）、次氯酸盐（ClO^-）等活性氧（ROS）在许多生理过程中起着关键作用。活性氧的缺乏会导致免疫功能异常，进而导致慢性肉芽肿病。ROS的过量产生可导致细胞死亡、器官损伤和多种疾病，甚至导致死亡。因此，快速准确测定ROS水平具有重要意义。目前开发了一系列的探测ROS的探针（如荧光探针、电化学传感器）。然而，其应用受到生物相容性差、灵敏度低和光漂白效应的限制。此外，复杂生物基质的背景自荧光也会影响生物体内活性氧的定量。手性纳米粒子（NPs）在可见光谱中具有很强的分子活性，可以避免来自生物体的背景圆二色性（CD）信号的干扰。

江南大学匡华教授团队设计了一个纳米复合物（UCNP@ZIF-NiSx）（Figure 1），掺杂镧的上转换纳米粒子UCNP （NaYF4:Yb³⁺/Er³⁺）可将近红外辐射转化为可见光，手性NiSx NPs修饰的沸石咪唑酸酯骨架-8 （ZIF-8）是一类金属有机骨架（MOF）的亚类，具有良好的生物相容性和可调的孔隙开口。将UCNPs与手性NPs相结合同时利用CD和上转换发光（UCL）信号，实现了对活细胞和体内ROS的超灵敏和选择性检测。 

 Figure 1. UCNP@ZIF-NiSx的组装及检测ROS过程（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，用油酸（OA）对UCNPs进行稳定，形成六边形的板状结构，制备成初始核。盐酸去除OA配体，将聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）涂覆在裸露的UCNP上，得到水溶性的UCNP -PVP。然后，在UCNP纳米圆盘上涂覆一层ZIF-8，形成亲水的UCNP@ZIF核-壳纳米结构。透射电子显微镜（TEM）图像清晰地显示了明显的核壳几何结构，表明成功合成了UCNP@ZIF（Figure 2a）。最后，用镍离子（Ⅱ）作为镍源和手性L-/D-Pen配体作为硫源，手性NiSx-L/D NPs为核包裹ZIF壳合成UCNP@ZIF-NiSx-L/D（Figure 2b）。高分辨率TEM（HRTEM）分析显示，晶格间距为0.52 nm，ZIF-8壳层厚度约7 nm（Figure 2c）。元素映射结果清楚地显示了纳米组装中Y、Yb、Zn、Ni和S的存在（Figure 2d）。UCNP@ZIF-NiSx的比表面积（BET）为416.1 m²/g，小于UCNP@ZIF（966.8 m²/g）。利用X射线衍射（XRD）技术表征了UCNP@ZIF-NiSx-L的结构演变（Figure 3）。UCNP@ZIF NiSx-L显示出与UCNP@ZIF相似的峰值，这表明NiSx的负载并没有改变母晶结构。

 Figure 2. a. UCNP@ZIF纳米结构的TEM图 b.UCNP@ZIF-NiSx纳米结构的TEM图 c. UCNP@ZIF-NiSx纳米结构的高分辨率TEM图 d. UCNP@ZIF-NiSx纳米结构的暗场TEM图和其中相应元素的能量散射X-射线光谱图（Y、Yb、Zn、Ni和S）（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

Figure 3. UCNP-PVP、ZIF-8和UCNP@ZIF-NiSx纳米结构的XRD谱图（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在440 nm和530 nm处，UCNP@ZIF-NiSx纳米组件表现出强烈的圆二色性（CD）信号，而在540 nm处，UCNPs的上转换发光（UCL）信号被NiSxNPs淬灭，而660 nm处的UCL信号几乎不变。利用手性光学和荧光信号，双模纳米组件可用于定量监测活性氧（ROS）。作者选择H₂O₂作为ROS的模型。加入H₂O₂后，UCNP@ZIF-NiSx-L的CD强度降低。H₂O₂引起CD降低的机制可能是由于H₂O₂对NiSx NPs的降解。H₂O₂浓度从0.05 μM加到20 μM，CD信号出现线性变化（Figure 4a）。H₂O₂与探针的反应导致探针在660 nm处吸收减少，探针的I₆₆₀/I₅₄₀比值增加（Figure 4b）。在0.05~20 µM范围内，I₆₆₀/I₅₄₀比值与H₂O₂浓度的关系曲线呈现线性响应。接下来，测试该探针的选择性。在ROS存在的情况下，CD信号消失，发光信号恢复，而其他可能的干扰成分对CD和UCL信号无影响。这说明该检测探针具有较好的特异性（Figure 4c和4d）。因此，UCNP@ZIF-NiSx探针在生理条件下对ROS的检测具有足够的敏感性和良好的选择性。

 Figure 4. a.UCNP@ZIF-NiSx纳米结构体外对H₂O₂响应的CD信号变化和b.UCL信号变化 c.UCNP@ZIF-NiSx纳米结构体外其他ROS响应的CD信号变化和d.UCL信号变化，λex = 980 nm（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

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作者检测了探针的细胞毒性和稳定性，纳米组装体在细胞培养基中也表现出良好的稳定性。为了测定活细胞中H₂O₂的水平，用N-乙酰半胱氨酸(NAC)处理正常的原代子宫成纤维细胞（PCS-460-010）消除细胞内ROS，用不同浓度的H₂O₂孵育。将PCS-460-010细胞与纳米组件孵育，980 nm激光条件下共聚焦成像。绿色UCL信号增加，而红色UCL信号不变，显示胞内H₂O₂浓度增加（Figure 5）。

Figure 5. 探针预处理的PCS-460-010细胞与不同浓度H₂O₂反应的共聚焦图像:（1）0.18 µM（2）1.47 µM（3）4.89 µM（4）7.7 µM和（5）10.2 µM。激发波长980 nm，功率500 mW，尺寸25 µm（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

为了测试纳米探针体内的生物安全性，作者对5个主要器官（心脏、肝脏、肾脏、脾脏和肺）的苏木精和伊红（H&E）染色图像行了研究。结果表明纳米探针处理的小鼠几乎没有受到损伤（Figure 6）。在注射探针后10分钟内，观察到一个强烈的UCL信号，表明UCNP@ZIF-NiSx在体内对ROS的快速反应。该特异性信号在肿瘤中随时间增加而增加，在注射探针后40分钟内达到平台期。然而，当用NAC（ROS清除剂）处理肿瘤部位时，探针注射后UCL信号很小，表明ROS水平较低。这些结果显示。该方法可用于体内内源性ROS的快速半定量分析和跟踪。

Figure 6. 苏木精、伊红（H&E）染色经UCNP@ZIF-NiSx处理5个主要器官（心脏、肝脏、肾脏、脾脏和肺）（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

 Figure 7. 等摩尔的UCNP@ZIF-NiSx皮下注射到瘤，在不同时间拍摄荧光图像:（b1）对照（b2）0 min（b3）10 min（b4）20 min（b5）30 min（b6）40 min，激发波长980 nm，功率500 mW（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：江南大学匡华教授团队设计了一个纳米复合物（UCNP@ZIF-NiSx），由上转换纳米粒子（UCNP）为核和沸石咪唑酸酯骨架-8（ZIF）为壳被手性NiSx NPs包裹而成。利用手性旋光和荧光信号，双模纳米组装可以用于定量监测活细胞中活性氧（ROS）。这一策略突出了手性纳米组件在ROS检测中的潜力，为开发用于生物医学和生物分析的手性纳米材料工具箱开辟了一条新的途径。

撰稿人：桐豆

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