唐本忠/张春JACS：多色可调聚合物纳米粒子用于活细胞温度传感
NanoLabs
2020-01-01
1. 设计并合成了一种具有温敏特性的杂化纳米粒子CNP；2. 将黄色发光染料和红色发光染料封装于纳米粒子中，通过级联荧光共振能量转移可以很容易地调节荧光颜色；3. 这种可逆热致变色特性的杂化纳米粒子可以作为活细胞的温度探针。温度是细胞的关键物理参数，因为它参与调节细胞内的每一个生化反应和生物过程。检测活细胞，特别是病变细胞(如炎症细胞和肿瘤细胞)的胞内温度，可以为它们的病理和生理研究提供有价值的参考，同时反过来又有助于精准诊断和治疗。目前，已开发了许多有前景的局部温度传感方法，包括扫描探针显微镜、拉曼光谱等。这些方法大多存在诸如灵敏度低、受局部化学环境和周围介质的光学性质影响等缺点。近年来，利用荧光有机纳米粒子或蛋白检测细胞内温度的荧光热成像技术已成为一种灵敏度高、准确度高的有效方法。然而，它们对单色荧光强度变化的依赖性限制了它们的推广。考虑到不同细胞、组织和器官的深度和光响应性，用激发的多色荧光而不是强度来报告不均匀的物理化学参数似乎是一种选择。因此，开发热调节的多色荧光材料，特别是覆盖所有可见波长的白光发光材料，具有广泛的适用性。有鉴于此，华中科技大学张春、香港科技大学唐本忠等人以聚集诱导发光分子四苯基乙烯（TPE）笼为引发剂，通过原子转移自由基聚合合成了两亲性笼型聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）聚合物（CNPs）。两亲性CNPs在水介质中会组装成纳米粒子，其蓝光发射作为三基色之一，只需加入4-二甲氨基-2’-丁氧查尔酮（DMBC，用于黄色发射）和尼罗红（NR，用于红色发射）即可调谐。当内部发生级联荧光共振能量转移（FRET）时，即可实现一个三基色荧光系统，通过调节这些荧光团的质量比，可设计其发射的颜色。由于异丙基之间的疏水相互作用与连接酰胺和水的氢键竞争，CNPs上的PNIAM会随温度的变化而缩小或延长，随之而来的可逆空间变化通过调整FRET-pairs的距离或苯环的分子内运动来实现热致变色。最终结果表明，这种生物相容的热响应材料在报告细胞内温度方面是非常有效的。首先合成了基于TPE的含氧杯芳烃笼TC1，然后用N-(2-氨基乙基)-2-溴-2-甲基丙酰胺4修饰TC1，合成了TC2作为ATRP反应的引发剂。TC2与800当量的NIPAM在CuCl/Me6TREN催化下于DMSO/i--PrOH中室温反应3 d后，通过ATRP构建CNPs，所得CNPs用去离子水透析纯化。CNPs可以组装成纳米粒子，在水中发出强烈的蓝色荧光。在CNPs (0.5 mg/mL)的水溶液中加入不同剂量的DMBC和NR可以将杂化纳米颗粒的荧光颜色调到全色。当mCNP：mDMBC：mNR=1：6.40×10−3：2.24×10−3时，杂化纳米粒子的荧光可以调谐为白光发射。由于CNPs的可逆温敏特性，杂化纳米粒子的荧光颜色表现出可逆的温度依赖性。它可以在加热至45℃后从白色发光调谐到橙色发光，并在冷却到室温后恢复为白色发光。考虑到在水介质中25−45℃温度范围内具有良好的热敏荧光颜色变化，白光发射杂化纳米颗粒（WCNPs）被引入到细胞内作为胞内温度探针。细胞毒性实验结果表明其具有良好的生物相容性。WCNPs内化并均匀分布于胞浆中。在25℃的重叠图像中显示出与WCNPs内吞之前相似的白光发射，说明它们在胞浆中稳定组装。随着活细胞所能承受的温度从25℃升高至45℃，450~530 nm的荧光强度减弱，620 nm的荧光强度增加，荧光颜色明显由白变红，表明WCNPs是一种理想的胞内温度探针。该此研究提出了一种用ATRP法合成CNPs的方法。将客体染料封装到疏水结构域中，通过级联FRET可以很容易地调节CNPs的荧光颜色，这为在水介质中构建全光谱发光杂化纳米粒子提供了一种简单的方法。此外，利用CNPs的温度敏感性，这种具有可逆热致变色特性的杂化纳米粒子可以作为活细胞的温度探针。利用自组装方法构建荧光探针，通过荧光颜色的变化来传感胞内温度，不仅容易读出，分辨率高，而且成本低，可以避免繁琐的合成过程。Zhen Wang, Xuewen He, Tuying Yong, et al. Multicolor Tunable Polymeric Nanoparticle from the Tetraphenylethylene Cage for Temperature Sensing in Living Cells, J. Am. Chem. Soc., 2019.DOI: 10.1021/jacs.9b11544https://doi.org/10.1021/jacs.9b11544
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