2021年10月6日，中國醫學科學院基礎醫學研究所（基礎所）生物醫學工程系張衛奇團隊與美國康奈爾大學醫學院Ching Tung教授合作在ACS Nano發表了“A Hybrid Nanogel to Preserve Lysosome Integrity for Fluorescence Imaging”的論文。該研究發展了一種新型的復合納米凝膠作為溶酶體標記物，通過主動去除成像過程中的光毒性，簡易地實現了高效低毒的活細胞熒光成像。
溶酶體是細胞中最主要的細胞器之一，廣泛參與了細胞代謝、信號通路、細胞膜修復與細胞死亡等各類生命活動。溶酶體的異常與代謝紊亂、神經退行性疾病、感染以及腫瘤等疾病密切相關。活細胞熒光成像為溶酶體的研究提供了強有力的工具，已廣泛應用于生物醫學研究。在現有的溶酶體熒光標記物設計過程中，人們主要關注溶酶體成像的高效性、特異性和穩定性，而成像過程中固有的光毒性常被忽略。實際上，在熒光染料標記細胞或組織后，成像過程中的光照將不可避免地激發染料分子產生活性氧物質（ROS），從而導致細胞結構的破壞以及毒性的產生，即光毒性（phototoxicity）。通過減少熒光成像過程中的光激發時間或強度，可以在一定程度上避免光毒性的產生，但目前仍缺少有效的方法主動去除活細胞熒光成像過程中的光毒性。
為了克服活細胞熒光成像過程中的光毒性，該研究發展了一種同時包含鉑納米顆粒（PtNP）和熒光染料阿的平（Quinacrine，Qu）的復合納米凝膠（HA/Pt/Qu）。在該納米凝膠標記細胞溶酶體后，利用其包含的PtNP的類超氧化物歧化酶（SOD）特性，在原位去除光激發Qu產生的ROS，成功實現了熒光成像過程中光毒性的主動去除（圖1）。
圖1 復合納米凝膠HA/Pt/Qu介導的低光毒性活細胞熒光成像。（A）HA/Pt/Qu的成像示意圖。（B）活細胞的實時熒光成像（90秒連續光激發）。
通過研究發現，在活細胞實時成像過程中，商業化溶酶體染料LysoTracker表現出明顯的光漂白現象（圖1B）。另外，單獨Qu標記的細胞中，光激發產生的ROS導致溶酶體結構的破壞，造成了染色的非特異性。而在HA/Pt/Qu標記的細胞中，溶酶體結構保持完整，且整個成像過程中熒光信號穩定特異。進一步的機制研究表明，HA/Pt/Qu可以有效清除成像過程中產生的ROS，維持溶酶體結構的穩定，并提高細胞的活性。該復合納米凝膠具有制備簡單與成本低廉的特點，同時其包含的染料可以簡易置換成其它波段的熒光分子，有望為溶酶體生物學的研究提供更為安全和高效的示蹤工具。
該研究受到中國醫學科學院醫學與健康科技創新工程（CIFMS 2019-I2M-1-004）、北京市科技新星計劃（Z201100006820110）、協和青年基金（3332019064）以及醫學分子生物學國家重點實驗室自主課題（2060204）的資助。基礎所張衛奇副研究員為第一兼通訊作者，康奈爾大學Ching Tung教授為共同通訊作者。同時，該研究相關成果已獲得一項中國專利（CN110227061B）。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05864
基礎醫學研究所
