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Nature Communications:高內(nèi)涵助力納米材料新劑型研究--酶分子的胞內(nèi)高效遞送、催化和檢測(cè)
近日，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程所(IPE)生化工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室生物劑型與生物材料課題組與清華大學(xué)(THU)及天津大學(xué)(TJU)合作，基于無(wú)定形金屬有機(jī)框架開發(fā)出一種新劑型，可實(shí)現(xiàn)酶分子的細(xì)胞內(nèi)高效遞送和催化，在單細(xì)胞水平上實(shí)現(xiàn)細(xì)胞代謝產(chǎn)物的原位檢測(cè)。該工作發(fā)表于Nature Communications 2019，10，5165，題目為"Packaging and delivering enzymes by amorphous metal-organic frameworks"。
受限于細(xì)胞膜的屏障作用和細(xì)胞內(nèi)的降解因素，外源的酶分子難以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮高效的催化反應(yīng)。為解決上述難題，本論文的研究團(tuán)隊(duì)制備了新型的無(wú)定形態(tài)金屬有機(jī)骨架納米顆粒，用于酶分子的負(fù)載。該劑型能夠克服細(xì)胞膜屏障，將酶分子高效遞送進(jìn)細(xì)胞中；同時(shí)利用納米顆粒的保護(hù)作用，保證酶分子的天然活性；進(jìn)一步借助無(wú)定形態(tài)金屬有機(jī)骨架的介孔結(jié)構(gòu)(3-6 nm，晶態(tài)結(jié)構(gòu)僅1 nm)，強(qiáng)化底物和產(chǎn)物的傳質(zhì)擴(kuò)散(圖1 a-d)?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，該劑型可用于細(xì)胞內(nèi)代謝產(chǎn)物的原位檢測(cè)。以葡萄糖為例，經(jīng)過(guò)該劑型催化后的產(chǎn)物可以與相應(yīng)的熒光探針?lè)磻?yīng)，借助高內(nèi)涵技術(shù)在單細(xì)胞水平上實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷的實(shí)時(shí)定量檢測(cè)，細(xì)胞在96孔板中貼壁24小時(shí)后，加入納米顆粒包裝的葡萄糖氧化酶及底物熒光探針，使用Operetta CLS高內(nèi)涵系統(tǒng)連續(xù)觀察4小時(shí)(37 °C and 5% CO2)，輸出各組長(zhǎng)時(shí)間細(xì)胞熒光圖像。使用Harmony分析軟件計(jì)算獲得單細(xì)胞熒光信號(hào)變化數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示葡萄糖代謝活躍度高的腫瘤細(xì)胞顯示更高的熒光強(qiáng)度(HepG2>4T1>MCF-7>MGC803)。此方法可用于細(xì)胞代謝狀態(tài)的判斷以及正常細(xì)胞和癌細(xì)胞的區(qū)分(圖1 e-j)，相比傳統(tǒng)的化學(xué)方法，保證精確度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞無(wú)損傷原位葡萄糖代謝檢測(cè)，為慢性病的監(jiān)控和癌癥的早期診斷提供了新思路。
圖1 無(wú)定形金屬有機(jī)框架納米劑型的構(gòu)建及其在細(xì)胞代謝物原位檢測(cè)中的創(chuàng)新應(yīng)用。無(wú)定形納米載體(a)及酶-無(wú)定形納米載體復(fù)合物(b)的掃描電鏡圖；(c)Cryo-EM成像顯示無(wú)定形載體的結(jié)構(gòu)；(d)酶分子經(jīng)過(guò)負(fù)載后的表觀活性；不同代謝狀態(tài)下細(xì)胞的熒光強(qiáng)度變化圖(e)以及對(duì)應(yīng)高內(nèi)涵圖像(f)正常肝細(xì)胞(橙色)和肝癌細(xì)胞(藍(lán)色)的熒光強(qiáng)度變化圖(g)以及對(duì)應(yīng)高內(nèi)涵圖像(h)；(i)不同細(xì)胞胞內(nèi)葡萄糖濃度和熒光強(qiáng)度的關(guān)系；(j)每種細(xì)胞熒光強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)的對(duì)應(yīng)圖像。
吳曉玲博士(THU)、岳華副研究員(IPE)和博士生張?jiān)?THU)為本文共同第一作者，戈鈞長(zhǎng)聘副教授(THU)、魏煒研究員(IPE)、張麟教授(TJU)和李賽研究員(THU)為本文共同通訊作者。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等支持。
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