探究光动力治疗下细胞线粒体微环境

作为最重要的细胞器之一，线粒体在许多至关重要的生理和病理过程（例如细胞能量供应、细胞增殖和细胞信息传递）中都起着关键作用。因此，线粒体已经成为许多癌症治疗策略的靶标。了解线粒体微环境及其动态改变是认识治疗机制的关键。但目前研究中，对治疗过程中细胞整体环境的研究较多，对线粒体局部环境缺乏原位的分析手段。线粒体微环境，特别是线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential, 简称：MMP）和pH值，对细胞行为（如迁移、增殖、分化和凋亡等）的动态调节起到至关重要的作用。MMP通常用作早期细胞凋亡的标志物。线粒体的pH值与细胞的许多功能密切相关，可以作为许多疾病的重要指标之一。这些微环境参数在PDT治疗过程中如何改变？是否存在一定的关联？最近，吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室徐抒平教授（点击查看介绍）团队利用荧光成像技术和表面增强拉曼光谱（SERS）方法探究了光敏剂二氢卟吩e6触发的光动力治疗（PDT）过程中线粒体局部微环境的演变，该研究有助于我们在亚细胞器水平上理解PDT作用机制。

PDT已用于临床癌症治疗，它是由光敏剂在特定波长光照射下引发光化学反应产生活性氧物质（Reactive oxygen species, 简称ROS）杀伤肿瘤的治疗方法。徐抒平教授课题组之前采用SERS技术对PDT治疗后的黑色素瘤细胞核组分（核酸、蛋白质）进行解析（Front. Chem., 2019, 6, 665）；对提取到体外的线粒体在PDT下的动态变化进行比对（Analyst, 2019, 144, 5521–5527）。本研究比较了两种癌细胞（HepG2和MCF-7）和一种正常细胞（LO2）线粒体微环境在PDT下的动态反馈。通过荧光成像呈现了PDT过程中胞内ROS产生及分布，并通过JC-1染料检测了MMP的动态改变，直指线粒体的功能和状态；利用该课题组发展的靶向线粒体的pH响应SERS纳米探针（Nanoscale, 2018, 10, 1622-1630）探究了不同剂量的PDT下线粒体内局域pH。实验结果发现，与MCF-7和HepG2的细胞相比，LO2细胞对ROS的反应更为剧烈。具体为：（1）LO2细胞的MMP在PDT开始时几乎没有受到影响，但是在后期，它远低于癌细胞的MMP。（2）ROS剂量低时，线粒体中的pH值均有降低；随剂量增加，pH有升高趋势。MCF-7和HepG2细胞的线粒体pH值在治疗过程中波动较小，而LO2细胞的波动较大。（3）初步证明LO2细胞比其他两种癌细胞具有更强的自我调节能力，表现为LO2细胞对细胞内/外高pH差值的强耐受性。这项研究为理解基于线粒体靶向的PDT治疗机制提供实验依据，也有助于对线粒体内微环境进行更准确有效的诊断，进而提高癌症的治疗效率。

这一成果近期发表在美国化学会杂志Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是吉林大学博士生岳静，通讯作者为徐抒平教授。该工作受国家自然科学基金（21873039, 21573087, 21573092）资助。

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Revealing Mitochondrial Microenvironmental Evolution Triggered by Photodynamic Therapy

Jing Yue, Yanting Shen, Lijia Liang, Lili Cong, Weiqing Xu, Wei Shi, Chongyang Liang, Shuping Xu*

Anal. Chem., 2020, 92, 6081-6087, DOI: 10.1021/acs.analchem.0c00497

导师介绍

徐抒平

https://www.x-mol.com/university/faculty/75678