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Nano Letters:DNA長度決定著細(xì)胞內(nèi)SWCNTs的“命運

瀏覽次數(shù):1348 發(fā)布日期:2022-5-10  來源:本站 僅供參考,謝絕轉(zhuǎn)載,否則責(zé)任自負(fù)
單壁碳納米管(SWCNTs)因在近紅外(NIR)區(qū)域有穩(wěn)定的光致發(fā)光特性而在生物成像領(lǐng)域應(yīng)用頗多。單鏈DNA可以通過非共價鍵與SWCNTs結(jié)合(DNA-SWCNTs),使SWCNTs有更好的生物相容性。研究表明,SWCNTs進入人體之后,會被巨噬細(xì)胞“內(nèi)化”,并在溶酶體定位。對SWCNTs的表面進行修飾,可以改變SWCNTs在細(xì)胞內(nèi)的“命運”。但是,人們對DNA單鏈的長度如何影響DNA-SWCNTs在復(fù)雜細(xì)胞環(huán)境中的代謝知之甚少。

2019年3月,美國羅德島大學(xué)Daniel Roxbury教授課題組在《Nano Letters》發(fā)表題為“Biomolecular Functionalization of a Nanomaterial To Control Stability and Retention within Live Cells”的文章,介紹了DNA-SWCNTs與細(xì)胞之間相互作用的關(guān)系。

DNA單鏈的長度與DNA-SWCNTs熒光強度的關(guān)系
為了研究DNA單鏈的長度對DNA-SWCNTs光學(xué)特性的影響,作者先用五種單鏈DNA((GT)n,n=6,9,12,15,30)對SWCNTs進行修飾,后與小鼠巨噬細(xì)胞一起培養(yǎng)30分鐘((GT)n-SWCNTs濃度:1mg/L)。當(dāng)用730 nm激光激發(fā)時,大多數(shù)細(xì)胞表現(xiàn)出明亮的寬頻發(fā)射(900-1600nm),說明DNA-CNTs被細(xì)胞“內(nèi)化”。作者探究了熒光強度與DNA單鏈的長度和時間的關(guān)系,結(jié)果顯示,DNA-SWCNTs熒光強度與DNA單鏈長度成正比而與時間成反比。有趣的是,具有較長DNA單鏈的DNA-SWCNTs的初始的熒光強度分布較廣,說明長鏈DNA使DNA-SWCNTs對近紅外光更敏感。作者對細(xì)胞內(nèi)DNA-SWCNTs的熒光強度進行了量化并計算了細(xì)胞內(nèi)的平均熒光強度,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的熒光強度隨著DNA鏈長的增加而增加,皮爾森相關(guān)系數(shù)分別為0.846、0.885和0.850,證實兩者線性相關(guān)且具有統(tǒng)計學(xué)意義(圖1)              


圖1:DNA-SWCNTs的熒光強度與DNA單鏈長度的關(guān)系;(a)(GT)15-SWCNTs的熒光圖像、白光圖像和整合的熒光/白光圖像;(b)DNA-SWCNTs的熒光圖像;(c)DNA-SWCNTs熒光強度柱形圖;(d)DNA-SWCNTs的平均熒光強度

DNA-SWCNTs熒光強度與DNA單鏈長度和SWCNTs手性的關(guān)系
為了進一步比較SWCNTs手性與熒光穩(wěn)定性的關(guān)系,作者將發(fā)射中心波長轉(zhuǎn)化為能量,并將DNA-CNTs的熒光強度與對照組做了對比。研究表明,5種DNA-SWCNTs中,只有(GT)6-SWCNTs熒光強度隨時間的延長而增加,其他4種DNA-SWCNTs的熒光強度有適度的損失。對于某一種手性的SWCNTs而言,(GT)n-SWCNTs熒光強度損失沒有在同一時間段內(nèi)發(fā)生,說明熒光強度的損失是多種因素的結(jié)果。為了在單細(xì)胞水平上研究光譜位移,作者利用高光譜技術(shù)繪制了(GT)6-SWCNTs和(GT)30-SWCNTs的高光譜圖像,并將高光譜圖像中每一個包含SWCNTs像素點擬合到洛倫茲曲線上,用(94)-SWCNTs的中心輻射能量圖覆蓋白光圖,并為每個圖像構(gòu)建直方圖以描述細(xì)胞內(nèi)SWCNTs發(fā)射能量的變化。作者發(fā)現(xiàn),0h的時候,(GT)6-SWCNTs和(GT)30-SWCNTs的熒光強度在統(tǒng)計意義上完全相同。將直方圖進行高斯擬合,可以通過半全寬來評估總體的異質(zhì)性。研究表明,內(nèi)化后(GT)6-SWCNTs的半高寬是(GT)30-SWCNTs的兩倍,且(GT)30-SWCNTs的輻射強度不隨時間變化。6 h后,(GT)6-SWCNTs的發(fā)射能量降低了8 meV,半高寬降低了50%。作者認(rèn)為,這種近紅外光熒光強度的變化是DNA-SWCNTs復(fù)合物的DNA單鏈末端相對豐度變化的結(jié)果,對于DNA-SWCNTs中一定質(zhì)量的DNA,(GT)6-SWCNTs中DNA單鏈數(shù)是(GT)30-SWCNTs的5倍(圖2)。

圖2:熒光強度與DNA單鏈的長度和SWCNTs手性的關(guān)系;(a)細(xì)胞內(nèi)熒光強度的熱圖;(b)(GT)6-SWCNTs和(c)(GT)30-SWCNTs的白光圖和高光譜圖像的疊加圖和熒光能量分布直方圖

細(xì)胞內(nèi)DNA-SWCNTs熒光強度的穩(wěn)定性
被細(xì)胞內(nèi)化的DNA-SWCNTs的光譜穩(wěn)定性有較大差異。作者基于SWCNTs對常規(guī)有機熒光團的淬滅效應(yīng),設(shè)計了一種檢驗DNA-CNTs完整性的方法。實驗人員首先用Cy3對(GT)6-SWCNTs和(GT)30-SWCNTs進行標(biāo)記,脫氧膽酸鈉(SDC)小分子通過競爭機制取代Cy3-DNA附著在SWCNTs的表面,使原來發(fā)生熒光淬滅效應(yīng)的SWCNTs重新發(fā)出明亮的熒光。盡管SDC的置換動力學(xué)不相同,但Cy3-(GT)6-SWCNTs和Cy3-(GT)30-SWCNTs的熒光淬滅動力學(xué)是相似的。當(dāng)用含有Cy3-(GT)6-SWCNTs和Cy3-(GT)30-SWCNTs的細(xì)胞培養(yǎng)物培養(yǎng)巨噬細(xì)胞時,Cy3-(GT)6-SWCNTs和Cy3-(GT)30-SWCNTs的熒光淬滅現(xiàn)象有很大的不同,Cy3-(GT)6-SWCNTs很快的發(fā)生熒光淬滅并在4 h達到最大熒光強度,24h后降至初始熒光強度;相比之下,Cy3-(GT)6-SWCNTs則在任何時間段均未觀察到熒光淬滅現(xiàn)象(圖3)。

圖3:DNA-SWCNTs在細(xì)胞內(nèi)的穩(wěn)定性;(a)實驗設(shè)計示意圖:SWCTNs被DNA單鏈緊密包裹時,未發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象,DNA單鏈解離時發(fā)出強烈熒光;(b)熒光強度隨SDC小分子置換時間的增加而增加;(c)用Cy3-(GT)6-SWCNTs和Cy3-(GT)30-SWCNTs培養(yǎng)的RAW 264.7細(xì)胞的白光圖和熒光圖的疊加;(d)平均熒光強度直方圖

細(xì)胞對DNA-SWCNTs的“內(nèi)化”和“外排”
盡管SWCNTs的熒光強度受到濃度和局部環(huán)境的影響,但是SWCNTs的某些特征只和濃度有關(guān),這就意味著,無論樣本的熒光強度如何,SWCNTs的手性信息在拉曼圖譜中都可以被表達出來。作者使用共聚焦拉曼顯微鏡評估了SWCNTs在細(xì)胞內(nèi)的局部濃度,首先使用1mg/L的Cy3-(GT)6-SWCNTs或Cy3-(GT)30-SWCNTs培養(yǎng)巨噬細(xì)胞30分鐘,對0.5μm的微小區(qū)域進行拉曼成像。為了計算出每個細(xì)胞內(nèi)SWCNTs的質(zhì)量,作者得出了G峰與SWCNTs濃度的特征曲線。Cy3-(GT)6-SWCNTs培養(yǎng)的巨噬細(xì)胞中SWCNTs的起始濃度是Cy3-(GT)30-SWCNTs培養(yǎng)的巨噬細(xì)胞的兩倍;24 h后,Cy3-(GT)6-SWCNTs培育的巨噬細(xì)胞內(nèi)SWCNTs的濃度下降了75%,而Cy3-(GT)30-SWCNTs培育的巨噬細(xì)胞內(nèi)SWCNTs的濃度下降較小。作者將Cy3-(GT)6-SWCNTs培育的巨噬細(xì)胞內(nèi)SWCNTs的起始濃度高的原因歸結(jié)于單根SWCNTs上的DNA密度較大,這增加了細(xì)胞膜蛋白與DNA相互接觸的概率;相反,也正是由于膜蛋白與DNA接觸概率的增大,從而使得巨噬細(xì)胞可以更快的以胞吐的形式“釋放”SWCNTs。

為了更好的理解胞吐機制,作者對細(xì)胞“釋放”(GT)6-SWCNTs的途徑進行了探究。作者設(shè)計了一個實驗,用巴弗洛霉素A1和諾考達唑(兩種抑制細(xì)胞溶酶體胞吐作用的化學(xué)藥物)對巨噬細(xì)胞進行了處理,并比較細(xì)胞內(nèi)DNA-SWCNTs的濃度。結(jié)果顯示,(GT)6-SWCNTs在細(xì)胞內(nèi)的濃度高于對照組,(GT)30-SWCNTs的濃度與對照組相比變化不大;相反,用布雷非德菌素A和Exo1(兩種抑制高爾基體分泌的化學(xué)藥物)對巨噬細(xì)胞進行處理,結(jié)果顯示,(GT)6-SWCNTs和(GT)30-SWCNTs的濃度與對照組相比差異性較小;這說明細(xì)胞主要是通過溶酶體的胞吐作用來實現(xiàn)DNA-CNTs的“釋放”(圖4和圖5)。


圖4:通過共聚焦顯微鏡確定SWCNTs的濃度;(a)Cy3-(GT)6-SWCNTs和Cy3-(GT)30-SWCNTs培養(yǎng)的RAW 264.7細(xì)胞的G峰強度圖和白光圖(b)從細(xì)胞中ROI區(qū)域像素點計算得出的SWCNTs的濃度;(c)被細(xì)胞內(nèi)化的SWCNTs的比值;(d)細(xì)胞上清液中外源性SWCNTs的濃度;(e)共聚焦拉曼光譜G峰強度圖與白光圖的疊加;(f)在(e)圖中包含SWCNTs的所有像素點的平均濃度

溶酶體胞吐的主要功能之一是分泌各種生物大分子,如蛋白質(zhì)、酶和抗原,以進行細(xì)胞之間的信息傳遞,也可使周圍細(xì)胞產(chǎn)生免疫反應(yīng)。有研究表明,對SWCNTs的表面進行修飾可以有效降低對細(xì)胞的毒性,原始的SWCNTs與細(xì)胞膜上的受體相互作用之后會被認(rèn)為是一個有害物質(zhì)。因此,作者認(rèn)為溶酶體將DNA鏈段從DNA-SWCNTs復(fù)合物上去除后,會使得細(xì)胞將“裸露”的SWCNTs當(dāng)做異物,而引發(fā)細(xì)胞的胞吐作用將其排出,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)SWCNTs的濃度降低;而長鏈的DNA對SWCNTs的包覆比較嚴(yán)密,溶酶體無法將DNA-SWCNTs復(fù)合物上的DNA“剔除”,從而無法產(chǎn)生胞吐作用,這會導(dǎo)致(GT)30-SWCNTs在細(xì)胞內(nèi)的滯留。
圖5:DNA長度相關(guān)性的細(xì)胞內(nèi)加工示意圖;(a)巨噬細(xì)胞將(GT)6-SWCNTs復(fù)合物內(nèi)化并在溶酶體內(nèi)定位,隨后生物分子與DNA鏈發(fā)生交換,并迅速誘導(dǎo)溶酶體胞吐;(b)巨噬細(xì)胞將(GT)30-SWCNTs復(fù)合物內(nèi)化并在溶酶體內(nèi)定位,而DNA-SWCNTs的完整性使SWCNTs被長時間保留在細(xì)胞內(nèi)

結(jié)論
       作者借助于可見-近紅外高光譜成像和共聚焦拉曼顯微技術(shù),發(fā)現(xiàn)DNA單鏈的長度對DNA-SWCNTs的光學(xué)穩(wěn)定性有影響,通過調(diào)節(jié)DNA單鏈的長度可以實現(xiàn)對細(xì)胞“攝入”和“外排”SWCNTs的調(diào)節(jié);DNA-CNTs上較短的DNA單鏈在溶酶體內(nèi)被細(xì)胞的生物小分子取代,改變了SWCNTs的物理特性和在細(xì)胞內(nèi)的“命運”;最后通過藥物實驗證實了細(xì)胞對SWCNTs的“外排”是通過胞吐作用。這些發(fā)現(xiàn)有助于人們進一步理解SWCNTs與細(xì)胞之間的相互作用,也為后續(xù)科研人員進一步探究細(xì)胞對官能化小分子的“響應(yīng)性”奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻
[1] Gravely M, Safaee M M, Roxbury D.Biomolecular Functionalization of a Nanomaterial To Control Stability andRetention within Live Cells[J]. Nano Letters, 2019, 19(9) 6203-6212.
發(fā)布者:北京心聯(lián)光電科技有限公司
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