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基础所生物医学工程系张卫奇团队实现低光毒性的溶酶体荧光成像
作者: 时间:2021-10-14 微信分享:
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   2021106日,中国医学科学院基础医学研究所(基础所)生物医学工程系张卫奇团队与美国康奈尔大学医学院Ching Tung教授合作在ACS Nano发表了“A Hybrid Nanogel to Preserve Lysosome Integrity for Fluorescence Imaging”的论文。该研究发展了一种新型的复合纳米凝胶作为溶酶体标记物,通过主动去除成像过程中的光毒性,简易地实现了高效低毒的活细胞荧光成像。
        
溶酶体是细胞中最主要的细胞器之一,广泛参与了细胞代谢、信号通路、细胞膜修复与细胞死亡等各类生命活动。溶酶体的异常与代谢紊乱、神经退行性疾病、感染以及肿瘤等疾病密切相关。活细胞荧光成像为溶酶体的研究提供了强有力的工具,已广泛应用于生物医学研究。在现有的溶酶体荧光标记物设计过程中,人们主要关注溶酶体成像的高效性、特异性和稳定性,而成像过程中固有的光毒性常被忽略。实际上,在荧光染料标记细胞或组织后,成像过程中的光照将不可避免地激发染料分子产生活性氧物质(ROS),从而导致细胞结构的破坏以及毒性的产生,即光毒性(phototoxicity)。通过减少荧光成像过程中的光激发时间或强度,可以在一定程度上避免光毒性的产生,但目前仍缺少有效的方法主动去除活细胞荧光成像过程中的光毒性。
        
为了克服活细胞荧光成像过程中的光毒性,该研究发展了一种同时包含铂纳米颗粒(PtNP)和荧光染料阿的平(QuinacrineQu)的复合纳米凝胶(HA/Pt/Qu)。在该纳米凝胶标记细胞溶酶体后,利用其包含的PtNP的类超氧化物歧化酶(SOD)特性,在原位去除光激发Qu产生的ROS,成功实现了荧光成像过程中光毒性的主动去除(图1)。


                    复合纳米凝胶HA/Pt/Qu介导的低光毒性活细胞荧光成像。
                       
AHA/Pt/Qu的成像示意图。(B)活细胞的实时荧光成像(90秒连续光激发)。
        
        通过研究发现,在活细胞实时成像过程中,商业化溶酶体染料LysoTracker表现出明显的光漂白现象(图1B)。另外,单独Qu标记的细胞中,光激发产生的ROS导致溶酶体结构的破坏,造成了染色的非特异性。而在HA/Pt/Qu标记的细胞中,溶酶体结构保持完整,且整个成像过程中荧光信号稳定特异。进一步的机制研究表明,HA/Pt/Qu可以有效清除成像过程中产生的ROS,维持溶酶体结构的稳定,并提高细胞的活性。该复合纳米凝胶具有制备简单与成本低廉的特点,同时其包含的染料可以简易置换成其它波段的荧光分子,有望为溶酶体生物学的研究提供更为安全和高效的示踪工具。
        该研究受到中国医学科学院医学与健康科技创新工程(CIFMS 2019-I2M-1-004)、北京市科技新星计划(Z201100006820110)、协和青年基金(3332019064)以及医学分子生物学国家重点实验室自主课题(2060204)的资助。基础所张卫奇副研究员为第一兼通讯作者,康奈尔大学Ching Tung教授为共同通讯作者。同时,该研究相关成果已获得一项中国专利(CN110227061B)。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05864