林文斌等人 JACS：首次报道！纳米级MOLs同时测定GSH和pH，以检测线粒体失调和化疗耐药性

原创 CQR 材料人

【背景介绍】

线粒体是细胞的能量来源，其对许多潜在的有害分子进行严格的体内平衡控制。若线粒体内稳态失调，则可以阻止细胞增殖并引起细胞死亡。谷胱甘肽（GSH）是一种维持细胞氧化还原平衡的抗氧化剂，在胞浆中合成并分布于不同的亚细胞室。其中，线粒体内GSH在维持细胞存活的适当氧化还原环境中起着关键作用。正常线粒体的pH值呈碱性，线粒体失调影响离子内流，并在线粒体膜上产生质子梯度，降低线粒体基质的pH值。因此，线粒体中GSH和pH传感器的发展可以揭示线粒体失调的重要见解，并为理解各种病理生理过程提供机会。纳米级金属有机骨架（nMOFs）是由金属-含氧团簇二级结构单元（SBUs）和有机桥连配体构建而成，已应用于化学和生物传感领域。然而，桥连配体和nMOFs的小孔的严格对称性阻碍了其多功能化，并限制了它们在大分子传感中的应用。但是，纳米级金属有机层（nMOLs）不仅保留了nMOFs的分子可调性、结构规则性、组成多样性，而且还具有高密度的开放位点，可以进行多功能化和大型分析物的检测，为生物系统中多种分析物的比率传感器的设计提供了一个通用的平台。

【成果简介】

近日，美国芝加哥大学林文斌教授（通讯作者）等人报道了一种基于三重发射态的nMOL的生物传感器（NA@Zr-BTB/F/R），用于线粒体中比率GSH和pH传感。Zr-BTB-nMOL中含有[Zr₆O₄(OH)₄(HCO₂)₆] SBUs和2, 4, 6-三（4-羧基苯基）苯胺（BTB-NH₂）配体，通过交换SBUs上的甲酸酯封端基团与GSH选择性(2E)-1-（2’-萘基）-3-（4-羧基苯基）-2-丙烯-1-酮（NA）进行合成后官能化，并且共价络合pH-敏感的异硫氰酸荧光素（FITC，F）和不依赖GSH/pH的罗丹明-B异硫氰酸盐（RITC，R）到BTB-NH₂配体上，得到NA@Zr-BTB/F/R。通过荧光法和共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）研究表明，NA@Zr-BTB/F/R可作为一种可靠、准确的线粒体GSH和pH比率传感器，用于检测线粒体失调和化疗耐药性。研究成果以题为“Nanoscale Metal-Organic Layers Detect Mitochondrial Dysregulation and Chemoresistance via Ratiometric Sensing of Glutathione and pH”发布在国际著名期刊 J. Am. Chem. Soc.上。

【图文解读】

图一、NA@Zr-BTB/F/R的结构和作用原理示意图

（a）NA@Zr-BTB/F/R的结构示意图，其中NA覆盖Zr₆ SBUs、FITC和RITC共价连接至BTB-NH₂配体；

（b）在NA、FITC和和RITC通道与10 mM GSH在37°C下孵育15 min后，NA@Zr-BTB/F/R的激发光谱和发射光谱；

（c）阳离子NA@Zr-BTB/F/R比率法检测线粒体失调、GSH消耗和基质酸化。

图二、NA@Zr-BTB/F/R的表征

（a-d）NA@Zr-BTB/F/R的TEM图像、带有FFT图案的HRTEM图像、AFM形貌以及Zr-BTB的高度轮廓；

（e）对比Hf₆-BTB MOL的模拟模式，新制备或在37°C下与40 mM GSH孵育4 h的Zr-BTB和NA@Zr-BTB/F/R的PXRD图谱；

（f）与40 mM GSH或HEPES孵育的NA@Zr-BTB/F/R的时间依赖性荧光响应。

图三、NA@Zr-BTB/F/R的荧光性能

（a）在pH=7.4下，不同GSH浓度的NA@Zr-BTB/F/R的NA发射光谱；

（b）在不同的GSH浓度下，NA@Zr-BTB/F/R的NA、FITC和RITC荧光强度；

（c）NA@Zr-BTB/F/R在无GSH的不同pH值下的FITC发射光谱；

（d）在不同pH值下，NA@Zr-BTB/F/R的NA、FITC和RITC荧光强度；

（e-f）NA@Zr-BTB/F/R的NA荧光与RITC荧光的比率图和FITC荧光与RITC荧光的比率图。

图四、NA@Zr-BTB/F/R的靶向性能

（a-c）在孵育4 h后，Zr-BTB/R（红色）在A2780细胞中的亚细胞定位；

（d）通过Zr ICP-MS测量在线粒体中Zr-BTB/R和NA@Zr-BTB/F/R的时间依赖性富集。

图五、NA@Zr-BTB/F/R的细胞成像

（a）具有NA@Zr-BTB/F/R的顺铂或HEPES处理的A2780和A2780cis细胞的高分辨率比例荧光成像代表图；

（b-c）在A2780和A2780cis细胞有无顺铂孵育后，NA@Zr-BTB/F/R检测到的具有GSH消耗和基质酸化的线粒体失调。

【小结】

综上所述，作者构建了第一个用于同时检测GSH和pH的nMOL。用NA取代Zr₆ SBUs上的FA基团，并且使FITC和RITC与BTB-NH₂配体共价络合NA@Zr-BTB/F/R作为线粒体靶向的比率纳米传感器，可以独立监测活细胞中的GSH和pH。通过细胞成像，利用CLSM揭示了线粒体失调与GSH缺失和基质酸化的定量证据。总之，该项工作促进了基于nMOL的比率生物传感器的发展，将用于其他生物分析物，并为细胞水平的病理生理条件提供新的见解。

文献链接：

Nanoscale Metal-Organic Layers Detect Mitochondrial Dysregulation and Chemoresistance via Ratiometric Sensing of Glutathione and pH（J. Am. Chem. Soc., 2021, DOI: 10.1021/jacs.0c11764）

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)。

本文由CQR编译。

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