南开大学JACS：用于无背景生物传感的天然蛋白质光子上转换超分子组装体

疾病生物标志物的检测对于疾病诊断、监测和预后评估至关重要。然而，具有背景荧光、复杂成分和异质性的生物样品检测的可靠性是巨大挑战。光子上转换材料由于其异乎寻常的发光特性，在生物传感、光遗传学、肿瘤免疫治疗等领域引起了广泛兴趣。特别是基于有机分子的三重态-三重态湮灭上转换（TTA-UC），因其具有高上转换量子效率（η_UC）、低激发功率密度（∼20 mW/cm²）和可调的激发/发射波长，已被应用作新一代的上转换材料。基于光子上转换的生物传感由于没有生物背景且不需要样品处理，因此非常适合疾病生物标志物分析。因此，开发适用于生物分析的可水分散的三重态湮灭上转换纳米颗粒（TTA-UCNPs）非常重要。然而，已报道的TTA-UCNPs大多基于外源性组分，如二氧化硅、两亲性聚合物、金属有机框架等，表现出大粒径（大于>100 nm）、低生物相容性及激发波长较短等缺点，难以得到准确的分析结果。无机上转换纳米颗粒（UCNPs）虽已应用于分析金属离子、生物活性分子和疾病标志物，然而，UCNPs对高激光功率（>1.0 W/cm²）的依赖性不利于生物传感。基于TTA-UC对温度、葡萄糖及其氧化酶的传感，也仅限于可见光区域。相比之下，在低功率密度LED激发下以高通量、快速和可靠的方式开发基于近红外（NIR）TTA-UC的无背景生物传感是非常可取的。近日，南开大学的黄灵（点击查看介绍）、庞代文（点击查看介绍）团队报道了一种通过天然蛋白质和TTA-UC的多层级组装形成的近红外光子上转换超分子组装体（PUSA），成功实现了对前列腺癌患者尿肌氨酸的无背景生物传感。

本研究开发了一种新型的内源性TTA-UCNP，其制备仅利用牛血清白蛋白(BSA)和NIR TTA-UC对（光敏剂PtTNP/湮灭剂An），在超声下可逆组装，最终形成光子上转换超分子组装体(PUSA)。研究阐明了NIR PUSA制备过程中基于蛋白质的多层级自组装的形成机制。其精妙之处在于，在PUSA制备过程中BSA水溶液在氯仿存在下经超声处理后能可逆地打开疏水腔(IIA结构域)。疏水性TTA-UC对可以同时与多个BSA的疏水空腔组装形成上转换蛋白簇(~ 8.2 ± 1.1 nm)，最终进一步组装形成PUSA(~ 44.1 ± 4.1 nm)。

图1. PUSA的制备示意图。

该团队发现PtTNP/An在纳米蛋白团簇内具有高效Dexter能量传递，使得PUSA即使在含氧饱和的水溶液中也能发出上转换发光，这是以前从未观察到的。这种高效的Dexter能量转移借助纳秒瞬态吸收测试计算的三重态能量转移速率及效率得以证明。另外，针对PUSA的上转换性能，该团队发现湮灭剂An的空间位阻增大能够抑制上转化蛋白簇的沉淀以及纳米颗粒内An的分子堆积，从而增强PUSA上转换效率。这种具有大空间位阻的An是PUSA形态稳定和上转换效率提高的重要因素。

图2. PUSA上转换性能的表征。

结合肌氨酸氧化酶(SOX)和肌氨酸的酶促催化反应，该团队将这种PUSA作为一种近红外上转换纳米探针，在低功率密度NIR-LED (50 mW/cm²) 激发下完成了对前列腺癌(PCa)患者尿液肌氨酸的快速、特异性定量检测，且无需样品处理。其工作原理是SOX催化氧化肌氨酸的同时消耗了水溶液中的氧。伴随着溶液中氧气浓度的降低，光敏剂的三重态将不再被氧气猝灭，进而上转换发光逐步增强，从而建立上转换发光强度与肌氨酸浓度的定量关系。这一研究对其他疾病标志物PUSA纳米探针的开发具有重要意义，同时也极具潜力实现临床转化，以实现高通量、精确、可靠的快速检测。

图3. 使用PUSA纳米探针对临床样品中的肌氨酸进行定性和定量测量。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，南开大学化学学院博士研究生冯红娟为论文第一作者，南开大学黄灵研究员、庞代文教授为论文共同通讯作者。

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）：

Natural Protein Photon Upconversion Supramolecular Assemblies for Background-Free Biosensing

Hong-Juan Feng, Le Zeng, Jia-Yao Li, Wen-Yue Lin, Fang Qi, Lin-Han Jiang, Ming-Yu Zhang, Yang Zhao, Ling Huang*, and Dai-Wen Pang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 21791–21805, DOI: 10.1021/jacs.4c06012

导师介绍

庞代文

https://www.x-mol.com/university/faculty/376857 

黄灵

https://www.x-mol.com/groups/OPULab