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代謝過程中產(chǎn)生的超氧化物（O2-）、過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH）、次氯酸鹽（ClO-）等活性氧（ROS）在許多生理過程中起著關(guān)鍵作用。活性氧的缺乏會導(dǎo)致免疫功能異常，進(jìn)而導(dǎo)致慢性肉芽腫病。ROS的過量產(chǎn)生可導(dǎo)致細(xì)胞死亡、器官損傷和多種疾病，甚至導(dǎo)致死亡。因此，快速準(zhǔn)確測定ROS水平具有重要意義。目前開發(fā)了一系列的探測ROS的探針（如熒光探針、電化學(xué)傳感器）。然而，其應(yīng)用受到生物相容性差、靈敏度低和光漂白效應(yīng)的限制。此外，復(fù)雜生物基質(zhì)的背景自熒光也會影響生物體內(nèi)活性氧的定量。手性納米粒子（NPs）在可見光譜中具有很強(qiáng)的分子活性，可以避免來自生物體的背景圓二色性（CD）信號的干擾。

江南大學(xué)匡華教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)納米復(fù)合物（UCNP@ZIF-NiSx）（Figure 1），摻雜鑭的上轉(zhuǎn)換納米粒子UCNP （NaYF4:Yb3+/Er3+）可將近紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見光，手性NiSx NPs修飾的沸石咪唑酸酯骨架-8 （ZIF-8）是一類金屬有機(jī)骨架（MOF）的亞類，具有良好的生物相容性和可調(diào)的孔隙開口。將UCNPs與手性NPs相結(jié)合同時(shí)利用CD和上轉(zhuǎn)換發(fā)光（UCL）信號，實(shí)現(xiàn)了對活細(xì)胞和體內(nèi)ROS的超靈敏和選擇性檢測。

Figure 1. UCNP@ZIF-NiSx的組裝及檢測ROS過程（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，用油酸（OA）對UCNPs進(jìn)行穩(wěn)定，形成六邊形的板狀結(jié)構(gòu)，制備成初始核。鹽酸去除OA配體，將聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）涂覆在裸露的UCNP上，得到水溶性的UCNP -PVP。然后，在UCNP納米圓盤上涂覆一層ZIF-8，形成親水的UCNP@ZIF核-殼納米結(jié)構(gòu)。透射電子顯微鏡（TEM）圖像清晰地顯示了明顯的核殼幾何結(jié)構(gòu)，表明成功合成了UCNP@ZIF（Figure 2a）。最后，用鎳離子（Ⅱ）作為鎳源和手性L-/D-Pen配體作為硫源，手性NiSx-L/D NPs為核包裹ZIF殼合成UCNP@ZIF-NiSx-L/D（Figure 2b）。高分辨率TEM（HRTEM）分析顯示，晶格間距為0.52 nm，ZIF-8殼層厚度約7 nm（Figure 2c）。元素映射結(jié)果清楚地顯示了納米組裝中Y、Yb、Zn、Ni和S的存在（Figure 2d）。UCNP@ZIF-NiSx的比表面積（BET）為416.1 m2/g，小于UCNP@ZIF（966.8 m2/g）。利用X射線衍射（XRD）技術(shù)表征了UCNP@ZIF-NiSx-L的結(jié)構(gòu)演變（Figure 3）。UCNP@ZIF NiSx-L顯示出與UCNP@ZIF相似的峰值，這表明NiSx的負(fù)載并沒有改變母晶結(jié)構(gòu)。

Figure 2. a. UCNP@ZIF納米結(jié)構(gòu)的TEM圖 b.UCNP@ZIF-NiSx納米結(jié)構(gòu)的TEM圖 c. UCNP@ZIF-NiSx納米結(jié)構(gòu)的高分辨率TEM圖 d. UCNP@ZIF-NiSx納米結(jié)構(gòu)的暗場TEM圖和其中相應(yīng)元素的能量散射X-射線光譜圖（Y、Yb、Zn、Ni和S）（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

Figure 3. UCNP-PVP、ZIF-8和UCNP@ZIF-NiSx納米結(jié)構(gòu)的XRD譜圖（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

在440 nm和530 nm處，UCNP@ZIF-NiSx納米組件表現(xiàn)出強(qiáng)烈的圓二色性（CD）信號，而在540 nm處，UCNPs的上轉(zhuǎn)換發(fā)光（UCL）信號被NiSxNPs淬滅，而660 nm處的UCL信號幾乎不變。利用手性光學(xué)和熒光信號，雙模納米組件可用于定量監(jiān)測活性氧（ROS）。作者選擇H2O2作為ROS的模型。加入H2O2后，UCNP@ZIF-NiSx-L的CD強(qiáng)度降低。H2O2引起CD降低的機(jī)制可能是由于H2O2對NiSx NPs的降解。H2O2濃度從0.05 μM加到20 μM，CD信號出現(xiàn)線性變化（Figure 4a）。H2O2與探針的反應(yīng)導(dǎo)致探針在660 nm處吸收減少，探針的I660/I540比值增加（Figure 4b）。在0.05~20 μM范圍內(nèi)，I660/I540比值與H2O2濃度的關(guān)系曲線呈現(xiàn)線性響應(yīng)。接下來，測試該探針的選擇性。在ROS存在的情況下，CD信號消失，發(fā)光信號恢復(fù)，而其他可能的干擾成分對CD和UCL信號無影響。這說明該檢測探針具有較好的特異性（Figure 4c和4d）。因此，UCNP@ZIF-NiSx探針在生理?xiàng)l件下對ROS的檢測具有足夠的敏感性和良好的選擇性。

Figure 4. a.UCNP@ZIF-NiSx納米結(jié)構(gòu)體外對H2O2響應(yīng)的CD信號變化和b.UCL信號變化 c.UCNP@ZIF-NiSx納米結(jié)構(gòu)體外其他ROS響應(yīng)的CD信號變化和d.UCL信號變化，λex = 980 nm（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

作者檢測了探針的細(xì)胞毒性和穩(wěn)定性，納米組裝體在細(xì)胞培養(yǎng)基中也表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。為了測定活細(xì)胞中H2O2的水平，用N-乙酰半胱氨酸(NAC)處理正常的原代子宮成纖維細(xì)胞（PCS-460-010）消除細(xì)胞內(nèi)ROS，用不同濃度的H2O2孵育。將PCS-460-010細(xì)胞與納米組件孵育，980 nm激光條件下共聚焦成像。綠色UCL信號增加，而紅色UCL信號不變，顯示胞內(nèi)H2O2濃度增加（Figure 5）。

Figure 5. 探針預(yù)處理的PCS-460-010細(xì)胞與不同濃度H2O2反應(yīng)的共聚焦圖像:（1）0.18 μM（2）1.47 μM（3）4.89 μM（4）7.7 μM和（5）10.2 μM。激發(fā)波長980 nm，功率500 mW，尺寸25 μm（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

為了測試納米探針體內(nèi)的生物安全性，作者對5個(gè)主要器官（心臟、肝臟、腎臟、脾臟和肺）的蘇木精和伊紅（H&E）染色圖像行了研究。結(jié)果表明納米探針處理的小鼠幾乎沒有受到損傷（Figure 6）。在注射探針后10分鐘內(nèi)，觀察到一個(gè)強(qiáng)烈的UCL信號，表明UCNP@ZIF-NiSx在體內(nèi)對ROS的快速反應(yīng)。該特異性信號在腫瘤中隨時(shí)間增加而增加，在注射探針后40分鐘內(nèi)達(dá)到平臺期。然而，當(dāng)用NAC（ROS清除劑）處理腫瘤部位時(shí)，探針注射后UCL信號很小，表明ROS水平較低。這些結(jié)果顯示。該方法可用于體內(nèi)內(nèi)源性ROS的快速半定量分析和跟蹤。

Figure 6. 蘇木精、伊紅（H&E）染色經(jīng)UCNP@ZIF-NiSx處理5個(gè)主要器官（心臟、肝臟、腎臟、脾臟和肺）（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

Figure 7. 等摩爾的UCNP@ZIF-NiSx皮下注射到瘤，在不同時(shí)間拍攝熒光圖像:（b1）對照（b2）0 min（b3）10 min（b4）20 min（b5）30 min（b6）40 min，激發(fā)波長980 nm，功率500 mW（圖片來源：J. Am. Chem. Soc.）

總結(jié)：江南大學(xué)匡華教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)納米復(fù)合物（UCNP@ZIF-NiSx），由上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNP）為核和沸石咪唑酸酯骨架-8（ZIF）為殼被手性NiSx NPs包裹而成。利用手性旋光和熒光信號，雙模納米組裝可以用于定量監(jiān)測活細(xì)胞中活性氧（ROS）。這一策略突出了手性納米組件在ROS檢測中的潛力，為開發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)和生物分析的手性納米材料工具箱開辟了一條新的途徑。