成功大学黄志嘉教授团队《ACS AMI》：设计含聚苯胺骨架的带醣基聚合物纳米金颗粒

点击蓝字关注我们

在光学领域分析上，想要实时分析单细胞对外源性颗粒的生物反应仍受到许多挑战与限制。近年来，醣基聚合物纳米颗粒因多价连结的能力，对蛋白质展现较高的亲和力，使其具有优秀的生物应用，而受到了广泛的关注。同时，醣基聚合物纳米颗粒能够增加细胞吞噬量，从而引发一系列生物反应。

成功大学黄志嘉教授团队通过邻硝基苯-β-半乳糖苷的原位聚合反应，设计了含聚苯胺骨架的带醣基聚合物的纳米金颗粒（Au@PGlyco NPs）。含聚苯胺骨架的纳米载体具有表面增强拉曼散射（SERS）活性，藉由拉曼光谱学研究邻硝基苯基化合物形成醣基聚合物纳米金颗粒的聚合机制。透过醣基聚合物上的半乳糖苷对β-半乳糖苷酶与大肠杆菌的反应，确认了Au@PGlyco NPs上半乳糖苷的醣活性，经由醣介导的生物传感器可以检测到少量的细菌数（～10² cfu/mL）。此外，经由单细胞SERS结合荧光影像验证，高累积的Au@PGlyco NPs能够刺激活性氧分子（ROS）的产生，促使癌细胞肿瘤相关的M2巨噬细胞对具免疫性M1巨噬细胞转化的免疫反应。

合成示意图：邻硝基苯-β-半乳糖苷（ONPG）中的硝基经由NaBH₄还原，并从金离子捕获氨基自由基，形成1,4对位偶联聚合，聚合成聚苯胺（PANI）分子骨架，此带半乳糖苷的聚苯胺分子聚合在纳米金颗粒的表面。

 I. SERS材料表征分析

图1：Au@PGlyco NPs的（a）TEM影像（右上为颗粒尺寸分布）、（b）高倍TEM影像与（c）HR-TEM影像。与（b）相对应的（ii）Au和（iii）N的单颗粒EDS映像图。

图1（a）与1（c）说明了Au@PGlyco NPs的大小约为18.1±5.7 nm，且具有金的111与200晶格面。在图1（b）中明显的光对比度展现了有机复合材料的厚度约为2.6 nm。EDS映像图表明Au@PGlyco NPs的内核为金，来源于半乳糖苷部分的氮元素则分布在纳米金的表面与颗粒主体上。

 II. 聚合反应机制验证

图2：（a）由不同浓度ONPG所制备的Au@PGlyco NPs的FTIR光谱。（b）Au@PGlyco NPs、PANI、PANI+N₂H₄的SERS光谱。（c）Au@PGlyco NPs的N 1s XPS光谱。（d）由不同浓度ONPG所制备的Au@PGlyco NPs的吸收光谱。（e）对比利用ONP、PNPG、PNP与ONP-Glc分子合成的纳米金颗粒的SERS光谱。

藉由图2（a）的FTIR光谱验明Au@PGlyco NPs保有ONPG中的半乳糖结构（3400、1035、1066 cm^-1），且NO₂（1525与1378 cm^-1）在Au@PGlyco NPs形成后显著减少。在图2（b）中的SERS光谱，Au@PGlyco NPs的特征峰与PANI、还原态PANI相匹配，确立Au@PGlyco NPs中PANI聚合分子结构的存在。N 1s的XPS光谱亦证明Au@PGlyco NPs上PANI的构成形态（还原态甲胺、半还原态亚胺与质子化甲胺）。图2（d）展现了有不同浓度ONPG所制备的Au@PGlyco NPs的吸收光谱。当ONPG浓度为60-100 mM时，位于540 nm周围的吸收能带变为聚焦的单带，吸收度也达到饱和值。藉由测量与ONPG相似的类分子（ONP、PNPG、PNP与ONP-Glc）所合成的纳米金颗粒的SERS光谱（图2（e）），发现NO₂官能基与ONPG同位的ONP-Glc和ONP才能引发1,4对位偶联聚合，形成具有SERS活性的聚合物纳米颗粒。

 III. 半乳糖苷酶活性验证与细菌检测

图3：（a）Au@PGlyco、（b）Au@ONP、（c）Au@PANI和（d）Au@ONP-Glc NPs与20 μM的半乳糖苷酶随时间反应的SERS光谱。（e）Au@PGlyco NPs与大肠杆菌（1×10⁴ cfu/mL）随时间培养的SERS光谱。（f）1159 cm^-1 SERS特征峰强度在不同菌数中与细菌培养时间之间的关系图。（g）Au@PGlyco NPs与半乳糖苷酶的反应机制图。

从SERS光谱讯号下降可发现（图3（a）），Au@PGlyco NPs中的半乳糖苷仍然保有与半乳糖苷酶反映活性，而不具有半乳糖苷部分的化合物对半乳糖苷酶不会有SERS讯号上的变化（图3（b-d））。当Au@PGlyco NPs遇到会释放半乳糖苷酶的大肠杆菌，也会在SERS光谱中变现出讯号的下降（图3（e）），因藉由这种讯号差异，Au@PGlyco NPs能够作为细菌感测平台，检测至少10² cfu/mL的细菌数水平（图3（f））。此等的SERS讯号变化是由半乳糖苷酶水解连结半乳糖苷与PANI骨架的氢键，从而使贡献SERS讯号的PANI从纳米金表面脱落所造成（图3（g））。

 IV. SERS影像分析与细胞内吞研究

图4：Au@PGlyco NPs之（a）生物兼容性，（b）不同颗细胞累积差异的SERS讯号，（c）不同浓度Au@PGlyco NPs在T24细胞的累积量，不同种类细胞内的相对应的SERS讯号强度量化图（d）与SERS映像图（e）。（f）Au@PGlyco NPs于HUVEC细胞的SERS与荧光高倍率迭合影像。

图4（a）所示，Au@PGlyco NPs对癌细胞与正常细胞不具有明显的毒性（生存率在～86%以上）。藉由SERS光谱能够分辨细胞对Au@PGlyco NPs的累积差异（图4（b））。SERS影像清楚表明，当Au@PGlyco NPs浓度越高，T24癌细胞对Au@PGlyco NPs的吞噬量也越多。在不同细胞种类中，T24癌细胞与M2巨噬细胞检测到最强的SERS讯号（图4（d）），因这些细胞具有半乳糖相关受体，能够对半乳糖苷具有高表达。图4（e）表明SERS映像图能够反映出Au@PGlyco NPs在不同类型细胞中的累积分布。在高倍率的SERS影像，能够与荧光影像进行迭合，辅以观测Au@PGlyco NPs在细胞核的分布。

V. 巨噬细胞极化与活性氧刺激上调

图5：（a）Au@PGlyco NPs在M2巨噬细胞的SERS影像与荧光染色影像（红色箭头表达高SERS讯号与高CD80/低CD163荧光，绿色表达低SERS讯号与高CD163/低CD80荧光，白色箭头表达无SERS讯号但高CD163荧光）。巨噬细胞经Au@PGlyco NPs培养的（b）SERS影像、DCFHDA荧光影像与（c）单细胞ROS量化图。（d）M1/M2对比与（e）ROS量化的接收者操作特征曲线（ROC）。

从图5（a）观察到Au@PGlyco NPs具有能刺激巨噬细胞进行免疫活化的应用，并利用细胞内SERS的变化与细胞荧光影像验证Au@PGlyco NPs的累积与巨噬细胞的免疫活化行为及细胞内累积的ROS具有高度的关联性（图5（b-c））。藉由SERS与荧光影像结合一观察到巨噬细胞族群内的异质性(heterogeneity)造成不同细胞间的Au@PGlyco NPs累积量差异，此差异可用来预测巨噬细胞是否成功被刺激诱发细胞内氧自由基与启动免疫活性，准确率可达86.5%（图5（d））。此研究利用具SERS特性与免疫刺激活性的纳米粒子，达成直接观察纳米粒子刺激免疫细胞活化过程并提供直接的观察证据。

相关成果以“In Situ Formation of Au-Glycopolymer Nanoparticles for SERS-based Biosensing and Single-cell Immunity”为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces。

论文第一作者为成功大学博士研究生谢子骏与研究员杨理行博士，通讯作者为成功大学光电科学与工程学系黄志嘉教授，该研究计划由台湾科技部资助完成。

论文信息：

Zi-Chun Chia, Li-Xing Yang, Ting-Yu Cheng, Ya-Jyun Chen, Horng-Long Cheng, Fei-Ting Hsu, Ying-Jan Wang, Yu-Ying Chen, Tzu-Chi Huang, Yi-Syun Fang, and Chih-Chia Huang*, ''In Situ Formation of Au-Glycopolymer Nanoparticles for Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Biosensing and Single-Cell Immunity'', ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021.

原文链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c13647

相关进展

化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

扫二维码｜关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。