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ACS Nano:新型近红外纳米聚集体用于细胞内溶酶体超分辨动态监测及类器官和活体成像

溶酶体作为细胞的“清道夫”,在细胞内有机物循环、修复受损细胞器、通过内吞作用清除废物等方面发挥着重要作用。由于溶酶体功能障碍与各种疾病相关——溶酶体储积病、遗传性疾病、类风湿性关节炎,甚至休克,因此监测溶酶体在细胞内和活体的动态变化是至关重要的。有研究表明,细胞可以精确控制溶酶体的动态变化(例如溶酶体的数量和位置),以维持细胞的动态平衡。例如,当细胞被药物刺激以诱导自噬时,溶酶体的数量增加并被招募到核周区域。为了阐明这一过程,动态记录溶酶体的实时运动可以帮助精确定位溶酶体的功能以及它们与哪些细胞器相互作用。虽然传统的荧光成像技术在研究细胞和生命系统中物种的可视化分析方面已经显示出它的价值,但光学显微镜由于存在阿贝衍射极限,其实际分辨率极限大约为200 nm,这大大限制了它的适用性。最近发展起来的超分辨成像 (SRI) 技术,包括结构照明显微镜 (SIM)、受激发射损耗显微镜 (STED)、随机光学重建显微镜 (STORM)、和其他单分子超分辨成像技术,克服了传统光学技术的衍射限制,提供了出色的成像能力。然而,超分辨荧光探针的设计在光漂白和波长选择方面仍然受到限制。

纳米聚集体晶体结构及表征图


为了解决这一问题,南京大学郭子建院士团队与辛辛那提大学刁佳杰博士合作开发了一例光稳定的近红外小分子荧光探针HD-Br。有趣的是,该有机小分子化合物在水溶液中可形成的近红外荧光纳米聚集体,从而可以通过内吞作用被动靶向溶酶体。利用该探针的溶酶体靶向特性结合超分辨成像技术,可动态监测细胞内溶酶体和线粒体的相互作用——线粒体-溶酶体接触(MLC)和线粒体-溶酶体融合(mitophagy)。

HeLa细胞MLC的动态示踪图


HeLa细胞线粒体与溶酶体融合(mitophagy)的动态观察图


近年来,类器官由于其在结构和功能上与目标器官或组织相似,备受研究人员青睐,在医学和药物开发中取得了有价值的实用成果(Science, 2019, 364, 956–959)。成像对于探索有机类化合物的复杂性是必不可少的,因为它可以揭示类器官的形态,以及它们是否真实地反映了它们在体内的对应物。毫无疑问,辛辛那提大学Takebe团队是国际著名的类器官技术的先驱。郭院士和刁博士研究团队利用开发的该新型近红外超分辨染料与Takebe团队合作研究类器官。幸运的是,这种新型染料可以实现整个类器官的3D成像,提供比商业溶酶体染料LTR更深的穿透深度。此外,体内线虫成像表明,HD-Br比LTR具有更好、更清晰的荧光信号和能成像更多的溶酶体。总之,该研究为设计小分子染料作为溶酶体靶向试剂提供了新的线索,这些小分子染料不仅在细胞内,而且在体内都可以用于溶酶体相关的生理过程的超分辨示踪。


该工作近日发表在ACS Nano 上,文章的第一作者为南京大学博士生方红宝,通讯作者为南京大学何卫江教授和陈韵聪副教授以及辛辛那提大学刁佳杰博士。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

De Novo-Designed Near-Infrared Nanoaggregates for Super-Resolution Monitoring of Lysosomes in Cells, in Whole Organoids and In Vivo

Hongbao Fang, Shankun Yao, Qixin Chen, Chunyan Liu, Yuqi Cai, Shanshan Geng, Yang Bai, Zhiqi Tian, Amanda L. Zacharias, Takanori Takebe, Yuncong Chen, Zijian Guo, Weijiang He, Jiajie Diao

ACS Nano, 2019, 13, 14426-14436, DOI: 10.1021/acsnano.9b08011


通讯作者简介


何卫江教授,博士生导师,2001年南京大学获博士学位并获南京大学和江苏省优秀博士论文奖。2002年在德国马普胶体与界面研究所进行博士后研究。2003年至今在南京大学配位化学国家重点实验室工作。主要研究方向为生物相关无机小分子物种的荧光探针设计、细胞/活体造影及其在小分子生物无机化学研究中的应用,光活化金属配合物与生物分子的相互作用,无机金属药物及重金属探针的设计、造影及其在药理、毒理研究中的应用,已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.、Chem. Commun.、Chem. Eur. J.、Org. Lett.等知名学术刊物上发表论文近百篇,文章总引用3200余次。并长期应邀为J. Am. Chem. Soc.、Chem. Commun.、Anal. Chem.、Org. Lett.、Nanoscale、Langmuir、ACS Appl. Mater. Interfaces、ACS Comb. Sci.、RSC Adv. 等近30种国际期刊审稿。


陈韵聪博士,南京大学副教授,分别于2008年、2014年在南京大学化学化工学院获得学士和博士学位,导师郭子建教授。2014年8月至2018年7月,香港科技大学唐本忠教授课题组从事博士后研究。主要研究方向为荧光探针与成像研究以及肿瘤诊疗试剂开发与应用研究。迄今已在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Mater. Horiz.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Chem. Mater.、Chem. Sci.、Chem. Commun. 等杂志上发表SCI文章40余篇。文章总引用1500余次,单篇最高引用390余次, H-index 22(Google Scholar)。曾获得博士研究生国家奖学金、南京大学优秀博士学位论文以及江苏省优秀博士学位论文等。


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