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南林蔡旭敏和港中深唐本忠院士團隊 Adv. Sci: 天然受體香豆素紅光BioAIE通過壽命成像監(jiān)測活細胞中Cu2?濃度
2023-12-20  來源:高分子科技

  南京林業(yè)大學蔡旭敏副教授和香港中文大學(深圳)唐本忠院士、趙征教授合作,將天然受體香豆素定向轉(zhuǎn)化為具有紅色發(fā)光的生物基聚集誘導發(fā)光(BioAIE)分子并應用于壽命成像。相關成果以Natural Acceptor of Coumarin-Isomerized Red-Emissive BioAIEgen for Monitoring Cu2+ Concentration in Live Cells via FLIM為題發(fā)表于Advanced Science》。


  石油基聚集誘導發(fā)光材料(AIEgen)在生物醫(yī)學領域的應用引人矚目,但受到結構較單一和不可再生等問題的困擾。純天然AIEgen獨特的結構和天然可再生可以彌補這些缺陷,但由于固定的結構導致其性能難以設計和調(diào)節(jié)。因此,由豐富的生物質(zhì)中衍生制備AIEgenBioAIEgen)是一種合理的方法,整合了合成和純天然AIEgen的雙邊優(yōu)勢Nat. Commun2023, 14, 6076; Nat. Commun2021, 12, 1773; Natl. Sci. Rev2023, 10, nwad233)(圖1)。近期,蔡旭敏副教授等利用香豆素的內(nèi)酯結構作為大量存在的天然受體,結合具有螺旋槳結構和給電子特性TPA基團構建了兩種具有AIE特性的D-π-A型異構體。其中,對位取代的Cm-p-TPA可發(fā)生酮式(keto)結構下的電荷轉(zhuǎn)移(CT)過程,發(fā)射600 nm的紅光;Cm-p-TPA良好的生物相容性及特異性識別Cu2+等特性,利用FLIM將其成功應用于HeLa細胞內(nèi)線粒體自噬過程中Cu2+濃度的監(jiān)測(圖2。該研究利用位置異構策略來調(diào)控香豆素基BioAIE分子性能并應用于生物應用,證明了生物質(zhì)原料衍生化構筑BioAIE的研究思路是合理可行的。 


1. 源自生物質(zhì)的BioAIEgen的綜合優(yōu)勢 


2香豆素天然受體異構化制備紅色發(fā)射BioAIEgen,通過FLIM用于監(jiān)測活細胞中的Cu2+濃度


  香豆素是一種常見的天然產(chǎn)物,其微弱的藍紫色熒光不適用于實際應用。但其內(nèi)酯結構被認為是少有的天然受體,可用于構建D-π-A型紅BioAlEgen。他們通過在π橋的不同位置引入TPA,得到了具有不同CT性能的香豆素基BioAIEgen,且其水楊醛席夫堿結構可作為金屬離子的結合位點,有作為探針的潛力(3a)。


  銅離子在線粒體生物合成和呼吸鏈中起著重要作用。線粒體自噬是一種細胞間自我更新的過程,選擇性地消除多余或受損的線粒體,會導致銅離子濃度的變化。然而,據(jù)他們所知,目前還沒有關于線粒體自噬過程中銅離子濃度變化的報道。傳統(tǒng)的基于強度的探針會受其濃度依賴特性和細胞攝取染料的程度的限制,相比之下,熒光壽命成像顯微鏡(FLIM)方法因其高分辨率和對細胞微環(huán)境的敏感性,且不受染料濃度的影響而受到廣泛關注。因此,將上述具有良好生物相容性和紅色熒光的香豆素BioAlEgen作為特定的銅離子探針,結合FLIM方法,預期實現(xiàn)在線粒體自噬過程中對銅的監(jiān)測和可視化 (3b) 


3(a)香豆素衍生BioAIEgens的分子設計。(b)基于Cm-p-TPAFLIM監(jiān)測細胞線粒體自噬過程中Cu2+濃度變化圖。與“turn on”型傳感器相比,FLIM特別適合turn off”型傳感器


  光物理數(shù)據(jù)分析表明香豆素結構確實可以作為天然受體構建D-π-A分子,并且位置異構對激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESIPT)和CT過程都有顯著影響。鄰位取代的Cm-o-TPA在烯醇式結構下(enol表現(xiàn)出CT,而對取代的Cm-p-TPAketo結構下表現(xiàn)出CT,后者導致紅光發(fā)射(圖4。且對位取代的Cm-p-TPACu2+的識別能力強于Cm-o-TPA。基于此,將Cm-p-TPA F127包裹成納米顆粒NPs,應用于監(jiān)測HeLa細胞的線粒體自噬過程,在0 ~ 20 min內(nèi)通過共聚焦顯微鏡進行觀察(圖5)。在0 min時,HeLa細胞線粒體和溶酶體之間的PCC較低(0.32),表明線粒體自噬過程剛剛開始。20 min后,線粒體與溶酶體之間的PCC增加到0.63,表明線粒體自噬過程完成了一半以上。在0 ~ 20 min的時間范圍內(nèi),觀察到位于溶酶體中的熒光強度逐漸降低。因為Cm-p-TPA NPs明顯的化學和光穩(wěn)定性,因此這些結果表明在線粒體自噬中釋放Cu2+。推斷Cu2+Cm-p-TPA配位,且在線粒體自噬過程中Cu2+濃度逐漸升高。溶酶體內(nèi)Cm-p-TPA NPs熒光壽命的變化(6)也顯示出相似的結果。在0 ~ 20 min內(nèi),Cm-p-TPA NPs染色的溶酶體在短壽命t1內(nèi)逐漸減少,成像顏色由黃綠色變?yōu)榫G色。另一方面,長壽命t2逐漸增加,導致成像顏色由淺橙色變?yōu)樯畛壬。由此可見?/span>HeLa細胞在自噬過程中,Cu2+的濃度也在逐漸增加,導致溶酶體成像中熒光猝滅。  


4. Cm-o-TPACm-p-TPA在純THF溶液、不同水含量(fw)THF/H2O混合物及不同極性溶劑中的光物理數(shù)據(jù)。 


5. Cm-p-TPA NPs (10 μM)監(jiān)測線粒體自噬過程。 


6. Cm-p-TPA NPs (10 μM)在饑餓誘導線粒體自噬過程中的壽命變化。比例尺:10.0 μm


  文章第一作者為南京林業(yè)大學蔡旭敏副教授,共同第一作者為南京林業(yè)大學碩士研究生李守濟和香港中文大學(深圳)博士后汪文錦,通訊作者為南京林業(yè)大學蔡旭敏副教授,共同通訊作者為香港中文大學(深圳)唐本忠院士和趙征教授。


  論文題目:Natural Acceptor of Coumarin-Isomerized Red-Emissive BioAIEgen for Monitoring Cu2+ Concentration in Live Cells via FLIM

  論文作者:Xu-Min Cai,* Shouji Li, Wen-Jin Wang, Yuting Lin, Weiren Zhong, Yalan Yang, Fritz E. Kühn, Ying Li, Zheng Zhao,* and Ben Zhong Tang*

  DOI: 10.1002/advs.202307078

  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202307078


作者簡介


蔡旭敏,南京林業(yè)大學副教授,江蘇省“雙創(chuàng)博士”,國家“雙一流”專業(yè)“林產(chǎn)化工”系副主任,于南京大學和慕尼黑工業(yè)大學獲碩士和博士學位。與“聚集誘導發(fā)光”創(chuàng)始人唐本忠院士團隊長期合作,主要從事生物質(zhì)定向轉(zhuǎn)化高附加值BioAIE材料的跨學科研究。近3年內(nèi)以通訊/第一作者發(fā)表代表性SCI論文: Nature Communications, National Science Review, Advanced Science, Aggregate等。任《生物質(zhì)化學工程》期刊的青年編委。課題組鏈接:https://www.x-mol.com/groups/cai_xumin



唐本忠教授1982年獲華南理工大學學士學位,1985年、1988年先后獲日本京都大學碩士、博士學位。曾在多倫多大學從事博士后研究、日本NEOS公司中央研究所任高級研究員。1994–2021年在香港科技大學工作。2009年、2017年、2020年先后當選中國科學院院士、亞太材料科學院院士、發(fā)展中國家科學院院士。2021年加入香港中文大學(深圳)擔任理工學院院長、校長學勤講座教授。主要從事高分子化學和先進功能材料研究。在聚集誘導發(fā)光(Aggregation-Induced Emission, AIE)這一化學和材料前沿領域取得了原創(chuàng)性成果,是AIE概念的提出者和AIE研究的引領者。已發(fā)表學術論文2,000多篇,總引用超180,000次,h因子為187。在學術會議上作了500多場邀請報告,擁有100多項授權專利,F(xiàn)任德國Wiley出版社發(fā)行的Aggregate《聚集體》雜志主編以及20多家國際科學雜志顧問、編委或客座編輯等。2014年至今連續(xù)當選全球材料和化學雙領域“高被引科學家”。2007年獲Croucher基金會高級研究員獎,2012年獲美國化學會高分子材料科學與工程分會MACRO講座獎,2014年獲伊朗國家科技部頒發(fā)的Khwarizmi國際獎,2015年獲廣州市榮譽市民稱號,2017年獲國家自然科學一等獎、何梁何利基金科學與技術進步獎,2021年獲Nano Today國際科學獎,2023年獲生物材料全球影響力獎。



趙征,香港中文大學(深圳)理工學院助理教授,校長青年學者,國家海外高層次青年人才、中國人體健康科技促進會臨床微生物與感染精準專業(yè)委員會常務委員,中國抗癌協(xié)會醫(yī)工整合專業(yè)委員會委員、中國感光學會光學傳感與診療專委會委員、深圳市分子聚集體功能材料重點實驗室副主任,港中深第二附屬醫(yī)院AIE臨床轉(zhuǎn)化中心執(zhí)行副主任,香港中文大學(深圳)材料科學與工程研究生項目主任。獲首屆中國化學會朱道本有機固體青年創(chuàng)新獎、Materials Chemistry Frontiers新銳科學家、Journal of Materials Chemistry B新銳科學家等榮譽稱號,2022-2023連續(xù)入選斯坦福大學全球前2%頂尖科學家榜單。趙征教授于中國科學院上海有機化學研究所取得博士學位,后赴香港科技大學化學系進行博士后研究,2021年加入香港中文大學(深圳)理工學院開展研究工作。當前的研究興趣包括新型聚集體光功能材料、聚集體光敏劑及其應用、近紅外二區(qū)材料及其應用。已在Natl. Sci. Rev、 Nat. Commun、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter、ACS Central Science.、Adv. Mater等國際頂級期刊發(fā)表論文90余篇,包括13篇ESI高被引論文,論文總計被引用7800余次,H-index為48。目前兼任科學出版社聚集誘導發(fā)光系列叢書編委,Aggregate期刊顧問編委,National Science Review期刊青年編委,Smart Molecules期刊青年青年編委,Chinese Chemical Letters 期刊青年編委,集成技術期刊青年編委,National Science Review客座編輯,Biomaterials期刊客座編輯等。

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(責任編輯:xu)
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