纳米级MOL通过谷胱甘肽和pH的比例传感检测线粒体失调和化学抗性

作为细胞内的供能场所，线粒体的稳态是维持细胞正常工作的基本条件，线粒体稳态失衡会阻止细胞增殖并引起细胞死亡。正确理解病理生理过程中的线粒体稳态失衡现象，对许多疾病的治疗具有重要的预测作用，譬如肿瘤耐药。谷胱甘肽（GSH）是维持细胞内氧化还原稳态的重要抗氧剂，在细胞质内合成并分布在不同亚细胞结构中，其中线粒体内的GSH承担着维持适当的氧化还原环境以避免线粒体氧化应激诱导细胞死亡的重要职责。此外，正常线粒体的pH值为碱性，但线粒体稳态失衡会影响离子流入并在线粒体膜上产生质子梯度，从而降低线粒体基质中的pH值。因此，开发用于线粒体内GSH和pH的传感器以指示线粒体态失衡具有重要意义。

近日，芝加哥大学林文斌教授（点击查看介绍）基于金属有机层（MOL）的深入研究，构建了能够用于线粒体内GSH和pH比例传感的生物传感器NA@Zr-BTB/F/R。该传感器包含Zr₆金属氧簇节点（SBU）和BTB-NH₂配体，其中GSH特性的NA与SBU上封端基团交换，pH敏感的FITC和GSH/pH惰性的RITC与BTB-NH₂共价键合。细胞实验证明，NA@Zr-BTB/F/R是线粒体中GSH和pH的可靠且准确的比例传感器。

图1. MOL的构建与细胞内成像机制。

图2. MOL的结构表征。

TEM显示MOL直径约为180 nm的片状单层结构，AFM显示厚度为~1.5 nm，晶格条纹兼具~2 nm。PXRD证实MOL具有良好的稳定性，体外实验表明，NA@Zr-BTB/F/R对GSH具有快速响应特性。

图3. 细胞内MOL分布。

阳离子特性的MOL从溶酶体中逃逸后，特异地富集于线粒体内。

图4. NA@Zr-BTB/F/R在顺铂或HEPES处理的A2780和A2780cis细胞内高分辨率比率荧光成像。

据报道，包括铂类药物在内的许多化学疗法通过引起线粒体稳态失衡来诱导细胞死亡。将顺铂敏感的A2780cis细胞和顺铂耐药的A2780细胞分别用顺铂进行处理后，在激光共聚焦显微镜评估NA@Zr-BTB/F/R作为比率型纳米传感器的适用性实验中，顺铂处理的A2780细胞呈现较低的GSH浓度和pH值，而未经顺铂处理的A2780细胞呈现处较高的GSH浓度和正常pH值。对于顺铂耐药A2780cis细胞，无论顺铂处理与否，都呈现出高GSH浓度和pH值。该实验表明，在晚期凋亡的细胞内才会发生线粒体稳态失衡，即GSH降低和基质酸化。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的共同第一作者是凌祥和龚徳雁。

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Nanoscale Metal–Organic Layers Detect Mitochondrial Dysregulation and Chemoresistance via Ratiometric Sensing of Glutathione and pH

Xiang Ling,† Deyan Gong,† Wenjie Shi, Ziwan Xu, Wenbo Han, Guangxu Lan, Youyou Li, Wenwu Qin, Wenbin Lin*

J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c11764

团队（通讯作者）简介

林文斌教授于 1994 年在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学系获博士学位。1994 至 1997 年在美国西北大学从事博士后研究。1997 年至 2001 年在美国布兰迪斯大学化学系任助理教授。2001 年到 2013 年任职于美国北卡罗来纳大学教堂山分校，并于 2011 年被聘为 Kenan 杰出教授。2013 年起担任美国芝加哥大学化学系 James Frank 教授席位。系中国科学院海外顾问组成员，香港研究资助委员会自然科学部委员(2012-2013 年度兼任主席)， 美国国立卫生研究院 NANO Study Section 常务会员。2011 年入选美国科学促进会会士(AAAS fellow)。

林文斌教授所领导的研究团队是国际上最早进行理性设计合成金属－有机框架材料的团队之一，主要研究领域为功能材料、手性催化、光催化、纳米医学及化学药物设计等。林文斌教授研究组在 2005 年首次成功开发出有高手性选择性的金属有机框架化合物不对称催化剂，同时在利用金属有机框化合物发展非线性光学材料及人工光合作用方面的研究走在国际前列，所发展的具有二阶非线性光学性质的金属有机材料是是最早进行晶体工程方法控制金属有机化合物的尝试之一。近年来，林文斌教授团队创造性地开发了多种基于金属有机框架纳米粒子的生物可降解性、高药物载量以及分子可调控性的新型纳米抗癌药物并率先报导了局部纳米药物递送用于局部免疫激活与系统性免疫治疗相结合的癌症治疗新思路。为了推动相关产品的临床转化，林文斌教授创立了名为 Coordination Pharmaceuticals 的生物医药公司，目前已有三种药物开始临床 I 期研究。

林文斌教授目前已在包括 Nat. Chem., Nat. Biomed. Eng., Nat. Catal., J. Am. Chem. Soc., Nat. Commun., Chem, Angew. Chem. Int. Ed 等世界顶级杂志上发表近 400 篇文章，文章被引用超过 56000 次 (h-index ≥113) ，同时他还担任多本著名杂志的顾问，比如 Chem. Sci., Chem. Mater., ACS Catal, Inorganic Chemistry Frontiers 和Asian J. Org. Chem.等，林文斌教授在科研工作中取得的卓越成就，使其于 2009 年入选由发表文章影响因子确定的 1999-2009 年度全球“ 十大化学家”(“Top ten chemists”，by Thomson Reuters)。

林文斌

http://www.x-mol.com/university/faculty/1445

课题组链接

http://linlab.uchicago.edu/index.html