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细胞-基质黏着蛋白和细胞-细胞间连接蛋白的空间选择性电化学发光定位识别

电化学发光(Electrochemiluminescence,ECL)是由电化学反应引发的暗场光辐射,具有背景低、灵敏度高、时空可控性强等优势。作为一种灵敏的表面分析方法,电化学发光显微成像技术在细胞分析中引起了广泛关注,已经实现了底部细胞膜、细胞-基质黏着等细胞结构的电化学发光成像。但是,实际应用中常需对位于不同空间位置的多种细胞结构进行同时分析。例如,细胞底部的细胞-基质黏着与靠近细胞顶部的细胞-细胞间连接协同作用,共同维持多细胞有机体的稳态平衡。如何实现两种细胞连接结构的空间选择性成像,对现有的电化学发光显微成像方法仍十分具有挑战性。浙江大学化学系苏彬教授(点击查看介绍)课题组通过改变发光探针和/或共反应剂分子的浓度,调控电化学发光反应路径,使发光层厚度与不同细胞连接的空间位置相匹配,实现了细胞-基质黏着和细胞-细胞间连接的空间选择性定位识别。

图1. 调控电化学发光层厚度,实现(a)光胶点和(b)细胞-基质黏着、细胞-细胞间连接的电化学发光顺次定位识别。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


作者以光胶点模拟细胞,当三联吡啶钌(Ru(bpy)32+)浓度较低时(50 μM),电化学发光图像中光胶点的形状不受共反应剂(三正丙胺或二丁基乙醇胺)浓度影响,图像尺寸始终与光胶点的物理尺寸相当。此时,电化学发光过程由“氧化-还原路径”主导,发光限域于电极表面,据此即可实现细胞底部的细胞-基质黏着蛋白的成像识别。

图2. 发光分子浓度较低时,电化学发光表面限域,适合细胞-基质黏着成像。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.

 

当Ru(bpy)32+浓度较高时(500 μM),随着共反应剂浓度逐渐降低,光胶点的电化学发光图像明显减小。此时,电化学发光过程由“催化路径”主导,较高浓度的共反应剂及反应过程产生的自由基可显著消耗电化学氧化产生的Ru(bpy)33+,使发光限域于电极表面;而共反应剂浓度较低时,Ru(bpy)33+可扩散至距离电极表面较远的位置,使电化学发光层变厚。有限元多物理场模拟佐证了上述发光机制。因此,通过逐渐降低共反应剂浓度,即可调控发光层厚度由薄至厚,实现从细胞-基质黏着蛋白到细胞-细胞间连接蛋白的顺次成像识别。

图3. 发光分子浓度较高时,降低共反应剂浓度,发光层变厚。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


图4. 发光分子浓度较高时,降低共反应剂浓度,实现细胞-基质黏着到细胞-细胞间连接的顺次定位识别。图片来源:Angew. Chem. Int. Ed.


该工作提出了一种简单有效的、通过改变发光分子和/或共反应剂浓度调控电化学发光层厚度的方法,阐明了电化学发光“催化路径”的反应机制,推动了电化学发光表面识别和空间定位识别测量的分析应用,实现了细胞底部的细胞-基质黏着蛋白和顶部的细胞-细胞间连接蛋白的顺次成像识别。研究结果不仅有助于深化对电化学发光反应机制的科学认知,还将进一步推动电化学发光空间定位识别测量及其在亚细胞水平生化分析中的应用。


该研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上,论文通讯作者为浙江大学化学系苏彬教授,第一作者为苏彬教授课题组博士研究生丁昊。该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和中国博士后基金的资助,作者表示感谢!


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):

Spatially Selective Imaging of Cell–Matrix and Cell–Cell Junctions by Electrochemiluminescence

Hao Ding, Ping Zhou, Wenxuan Fu, Lurong Ding, Weiliang Guo, Bin Su

Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202101467


苏彬教授简介


浙江大学化学系教授,分析化学研究所所长。1999年本科毕业于吉林大学化学系,2002年6月获得中科院长春应用化学研究所硕士学位,2006年4月获得瑞士洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL)博士学位。随后至2009年6月在EPFL从事博士后研究。2009年任浙江大学化学系特聘研究员(Teture-Tracked Professor)和独立课题组负责人(Principal Investigator)。2013年1月起晋升浙江大学教授。主要从事界面电化学、电化学发光方法和技术、电化学体外诊断、电化学活体分析等方面的基础和应用基础研究,在JACS, Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Anal. Chem.等高水平期刊发表论文150余篇,获授权中国发明专利11项。获得的主要奖励包括:2005年国家优秀自费留学生奖学金,2012年教育部新世纪优秀人才,2012年国家自然科学基金委优秀青年基金。指导研究生30余名,其中1名博士生获教育部博士研究生学术新人奖,1名硕士生获浙江大学竺可桢奖学金,5名获研究生国家奖学金。


https://www.x-mol.com/university/faculty/14394 


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