2021年10月6日，中国医学科学院基础医学研究所（基础所）生物医学工程系张卫奇团队与美国康奈尔大学医学院Ching Tung教授合作在ACS Nano发表了“A Hybrid Nanogel to Preserve Lysosome Integrity for Fluorescence Imaging”的论文。该研究发展了一种新型的复合纳米凝胶作为溶酶体标记物，通过主动去除成像过程中的光毒性，简易地实现了高效低毒的活细胞荧光成像。
溶酶体是细胞中最主要的细胞器之一，广泛参与了细胞代谢、信号通路、细胞膜修复与细胞死亡等各类生命活动。溶酶体的异常与代谢紊乱、神经退行性疾病、感染以及肿瘤等疾病密切相关。活细胞荧光成像为溶酶体的研究提供了强有力的工具，已广泛应用于生物医学研究。在现有的溶酶体荧光标记物设计过程中，人们主要关注溶酶体成像的高效性、特异性和稳定性，而成像过程中固有的光毒性常被忽略。实际上，在荧光染料标记细胞或组织后，成像过程中的光照将不可避免地激发染料分子产生活性氧物质（ROS），从而导致细胞结构的破坏以及毒性的产生，即光毒性（phototoxicity）。通过减少荧光成像过程中的光激发时间或强度，可以在一定程度上避免光毒性的产生，但目前仍缺少有效的方法主动去除活细胞荧光成像过程中的光毒性。
为了克服活细胞荧光成像过程中的光毒性，该研究发展了一种同时包含铂纳米颗粒（PtNP）和荧光染料阿的平（Quinacrine，Qu）的复合纳米凝胶（HA/Pt/Qu）。在该纳米凝胶标记细胞溶酶体后，利用其包含的PtNP的类超氧化物歧化酶（SOD）特性，在原位去除光激发Qu产生的ROS，成功实现了荧光成像过程中光毒性的主动去除（图1）。
图1 复合纳米凝胶HA/Pt/Qu介导的低光毒性活细胞荧光成像。（A）HA/Pt/Qu的成像示意图。（B）活细胞的实时荧光成像（90秒连续光激发）。
通过研究发现，在活细胞实时成像过程中，商业化溶酶体染料LysoTracker表现出明显的光漂白现象（图1B）。另外，单独Qu标记的细胞中，光激发产生的ROS导致溶酶体结构的破坏，造成了染色的非特异性。而在HA/Pt/Qu标记的细胞中，溶酶体结构保持完整，且整个成像过程中荧光信号稳定特异。进一步的机制研究表明，HA/Pt/Qu可以有效清除成像过程中产生的ROS，维持溶酶体结构的稳定，并提高细胞的活性。该复合纳米凝胶具有制备简单与成本低廉的特点，同时其包含的染料可以简易置换成其它波段的荧光分子，有望为溶酶体生物学的研究提供更为安全和高效的示踪工具。
该研究受到中国医学科学院医学与健康科技创新工程（CIFMS 2019-I2M-1-004）、北京市科技新星计划（Z201100006820110）、协和青年基金（3332019064）以及医学分子生物学国家重点实验室自主课题（2060204）的资助。基础所张卫奇副研究员为第一兼通讯作者，康奈尔大学Ching Tung教授为共同通讯作者。同时，该研究相关成果已获得一项中国专利（CN110227061B）。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05864
基础医学研究所
