【人物与科研】江南大学徐丽广教授课题组JACS：超小磁-手性氢氧化钴纳米颗粒实现了活体内活性氧种类的动态检测

导语

近来，由于具有良好的生物相容性、高信噪比及抗基质干扰能力，手性纳米组装体作为生物探针用于生命体内生物活性分子实时原位检测已引起了人们的广泛关注。然而，单分散手性纳米颗粒能否对生物体内生物活性分子进行响应从而实现其实时原位动态检测目前还未有报道。近日，江南大学徐丽广教授课题组在相关领域取得了进展，合成了具有强近红外手性光学活性和磁性的氢氧化钴纳米颗粒，并将其用于实时、原位、动态检测和监测活细胞和活体肿瘤中活性氧水平。相关成果在线发表于J. Am. Chem. Soc.（DOI: 10.1021/jacs.1c09986）。

徐丽广教授课题组简介

课题组成立以来一直从事手性纳米结构的生物效应方面的研究。课题组面向人民生命健康和国家重大需求，瞄准化学生物学学科发展的国际前沿，在生物分子识别、手性探针制备及生物分析等方面取得了系列创新性研究成果。课题组已经在国际知名学术期刊发表论文50余篇，包括Nature、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际知名期刊。课题组目前有博士后2名、博士7名、硕士7名。

胥传来教授简介

胥传来，江南大学二级教授、博士生导师，为英国皇家化学会Fellow、国务院政府特殊津贴专家、国家万人计划获得者、科技部“食品安全”创新团队负责人。目前担任国家粮食质量安全生物快速检测技术创新中心主任、江南大学食品科学与工程双一流学科食品安全与质量控制中心主任。30多年来，长期致力于食品安全检测技术与装备的研究，特别是在自主知识产权小分子污染物单克隆抗体库构建、高效免疫亲和试剂的研发和产业化应用等方面做出了重要创新。以通讯作者在Nature、Nature Biomedical Engineering、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Agric. Food Chem.等期刊发表SCI论文400余篇，他引超过14000次，出版5部教材和专著；授权国家发明专利245件、授权国际发明专利10件，为Food and Agricultural Immunology期刊（SCI）主编。先后4次获得国家科技进步奖二等奖（2007，2/10；2009，3/10；2011，2/10；2017，1/10），第二十二届中国专利银奖（1），获2018年江苏省专利发明人奖以及其他省部级一等奖9项。

徐丽广教授简介

徐丽广，博士，江南大学食品学院教授、博士生导师，中组部万人计划青年拔尖人才（2018年）、江苏省自然基金杰出青年基金获得者（2018年）、江苏省优秀博士论文获得者（2013年）、首届中国生物技术创新大会生物技术领域青年科学家（2019年）、江南大学食品学院院长助理、国家粮食质量安全生物快速检测技术创新中心副主任、光响应功能分子材料国际联合研究中心副主任。主要从事于手性纳米结构调控生物学效应。主持完成了包括国家自然科学基金及国家重点研发计划等省部级以上项目或课题10项。近5年，以第1作者或通讯作者（含共同通讯作者）发表论文26篇，其中包括Nature 1篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇，Angew. Chem. Int. Ed. 5篇，Nat. Commun. 1篇，Adv. Mater. 2篇，CCS Chem. 1篇。荣获国家科技进步奖二等奖1项（2017年、第5完成人），中国专利银奖1项（2020年、第5完成人），江苏省科学技术奖一等奖2项（2021年、第2完成人，2018年、第3完成人）。

前沿科研成果

超小磁-手性氢氧化钴纳米颗粒实现了活体内活性氧种类的动态检测

活性氧（ROS）在生物体内起着双刃剑的作用，低水平的ROS具有调节多种生理活性的作用，而ROS的过量累积则会引发系列氧化损伤从而导致多种疾病的发生。然而，构建用于分析ROS的生物探针仍然是化学生物学领域面临的重大挑战。

本论文首次在室温条件下采用天冬氨酸对映体（l-/d-Asp）介导一步合成了~3 nm的手性氢氧化钴纳米颗粒。左手性及右手性氢氧化钴纳米颗粒的圆二色（CD）光谱呈现出完美的镜像对称，并且在近红外区具有强烈的CD信号（在~1100 nm最大各向异性因子可达0.06）（图1）。当手性氢氧化钴纳米颗粒与次氯酸等典型活性氧反应后，其在~505 nm的CD峰逐渐红移至650 nm并伴随信号降低，同样，在1100 nm 处的CD信号强度也减弱。与此同时，手性纳米颗粒的纵向弛豫时间T1值也从反应前的300 ms增加到反应后的800 ms，T1加权磁共振成像也由红色转变为绿色。通过X射线光电子能谱及近红外光谱表明，次氯酸等活性氧会将手性氢氧化钴纳米颗粒表面的二价钴离子氧化为三价钴离子，在其表面形成羟基氧化钴，从而诱导手性纳米颗粒的CD及磁共振成像信号改变。并且该型手性纳米颗粒具有很好的特异性，在高浓度的还原剂、糖类、生物大分子、氨基酸、典型的活性氮和活性硫存在的条件下几乎不影响氢氧化钴纳米颗粒的CD和磁共振信号（图2）。

图1. 手性氢氧化钴纳米颗粒的结构和光学性质表征

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

图2. 在缓冲体系中，手性氢氧化钴纳米颗粒的检测性能

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

随后，作者采用手性和磁共振成像双重信号探索了手性纳米颗粒在细胞水平对于活性氧的原位实时的检测性能。当将材料与细胞孵育8h后，作者发现：利用CD信号，采用d-和l-氢氧化钴纳米颗粒对胞内活性氧的最低检测限分别为0.087 pmol/10⁶个细胞和 0.496 pmol/10⁶个细胞；利用T1加权磁共振成像，则分别为0.179 pmol/10⁶个细胞和0.633 pmol/10⁶个细胞（图3）。上述结果表明，采用手性和磁共振成像两种模式，d-氢氧化钴纳米颗粒的最低检测限分别是l型的5.7和3.5倍，为目前报道的活性氧检测的最灵敏的方法。采用左右手性氢氧化钴纳米颗粒作为探针而引起最低检测灵敏度产生差异，究其原因在于d型纳米颗粒比l型在细胞中更易蓄积，从而使得细胞内d 型比l 型的浓度更高、分布更密集，随之与活性氧发生反应的概率更高，从而使得d 型纳米颗粒在细胞内原位实时检测活性氧的能力更强。同时，提高脂多糖的浓度以增加刺激细胞的氧化应激水平，采用手性和磁共振信号可同时实现胞内活性氧的动态监测。

图3. 手性氢氧化钴用于检测胞内活性氧的水平

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，基于磁共振成像及荧光双重信号，探索了手性d-/l-氢氧化钴纳米颗粒在荷瘤小鼠中检测活性氧的能力。鉴于手性氢氧化钴与活性氧反应前后吸收峰的变化，作者有目的选择荧光分子（Alexa Fluor 568），该荧光光谱与初始手性纳米颗粒的吸收谱几乎没有重叠，荧光染料可有效维持其荧光信号，当手性纳米颗粒与活性氧反应后，荧光分子的荧光谱几乎与反应后手性纳米颗粒的吸收谱完全重叠，从而使得手性纳米颗粒和荧光分子之间由于荧光共振能量转移导致荧光淬灭，基于此，设计“On-Off”荧光探针。采用N-乙酰半胱氨酸和脂多糖下调和上调荷瘤小鼠中肿瘤中活性氧水平，通过荧光成像和磁共振成像结果表明，手性氢氧化钴纳米颗粒可有效动态监测肿瘤中活性氧水平，且d型纳米颗粒的荧光或磁共振成像信号均要好于l型纳米颗粒，说明此种兼具多种光磁性质的手性纳米颗粒可用于活细胞和活体中活性氧的超灵敏检测（图4）。

图4. 手性氢氧化钴用于活体中活性氧水平的检测

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

胥传来教授、徐丽广教授为共同通讯作者。江南大学食品学院博士生李称、江南大学化学与材料工程学院青年教师李斯副研究员、江南大学附属医院赵静博士为该论文的共同第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金（21977038、51902136、32071400）和江苏省前沿基础（BK20212014）等项目的资助。

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