金属卟啉标记的纳米载体用于追踪植物体内分布

《Environmental Science: Nano》：Metalloporphyrin-labeled nanocarriers for tracking distribution in plantsOpen Access

　　

在精准农业中，利用有机纳米载体（organic nanocarriers, NCs）实现高效、靶向的农用化学品递送是一个日益受到关注的领域。开发有效递送平台的一个重大瓶颈在于，如何构建稳健可靠的工具来追踪有机NCs在植物体内的转运与归宿。本研究利用金属卟啉独特的物理化学性质，将可通过电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）示踪的金属离子整合到有机NCs中。通过闪速纳米沉淀（Flash NanoPrecipitation, FNP）制备了封装钯与铂卟啉的核壳结构NCs（≤100 nm）。研究人员将一种非释放型农用化学品活性成分——高效氰戊菊酯（esfenvalerate）——与钯示踪剂共同封装，并在番茄叶片喷施后通过质谱定量两种组分的分布。示踪剂与活性成分表现出不可区分的转运曲线，为示踪剂与递送载体之间的强共定位提供了证据。铂卟啉的封装将该示踪策略扩展至空间分布成像，使得实验室微束X射线荧光（micro-X-ray fluorescence, μ-XRF）能够灵敏检测处理叶片上的NCs。总的来说，这些发现验证了金属卟啉可作为植物体内NCs分布的可靠替代指标，并与现有的纳米制剂平台（如FNP）无缝集成。

全球粮食需求上升与环境压力加剧，使得提高农业投入品利用效率成为战略重点。传统农药施用中，仅有少量活性成分到达靶标，造成显著脱靶损失与环境污染。纳米递送系统有望改善这一局面，但现有研究多集中于金属或金属氧化物纳米颗粒，其递送能力受限于自身组成，表面功能化又会改变颗粒表面化学，难以在不同活性成分间推广。有机纳米载体（NCs）具有载荷灵活、可内部封装等优点，却因有机组分与植物背景材质相近而难以追踪。目前常用的活性成分检测方法如气相/液相色谱-质谱（GC-MS/LC-MS）和酶联免疫吸附测定（ELISA）需针对每种化合物开发新方法，且无法判断活性成分是否仍与载体结合；荧光显微只能定性观察，放射性标记又需要昂贵设施。因此，亟需一种不改变NC表面性质、可稳定标记并利用常规仪器检测的示踪策略。金属卟啉因具有强疏水性、金属中心稳定、可商业获取等特性，被视为理想候选。本研究旨在验证金属卟啉在FNP制备的有机NCs中作为植物体内示踪剂的可靠性，并拓展其定量与成像应用。

研究人员利用闪速纳米沉淀（FNP）制备了三种表面稳定剂（PS-PEG、卵磷脂、HPMCAS）稳定的核壳NCs，包封钯卟啉（PdTPBP）或铂卟啉（PtTPP），并将PdTPBP与非释放型农药高效氰戊菊酯（ESFV）共封装。通过叶面施用于四周龄番茄（Solanum lycopersicum cv. ‘MoneyMaker’）植株，采用ICP-MS定量钯、GC-MS定量ESFV，比较二者在各植物部位的分布；利用实验室μ-XRF对铂进行空间成像；并通过种子萌发试验评估植物毒性。结果显示，PdTPBP在体外及植物体内均与NCs强关联，其转运曲线与ESFV不可区分，证明其是可靠示踪剂；PtTPP封装使μ-XRF能灵敏检测叶片上的NCs分布；PdTPBP在试验浓度下未引起植物毒性。该技术为独立追踪载体与活性成分提供了可能，有助于研究NCs在植物体内的释放与转化，推动纳米递送系统的机制理解与标准化应用。

主要关键技术方法包括：采用FNP制备核壳纳米载体；动态光散射（DLS）表征粒径、多分散性与ζ电位；体外透析和超速离心评估钯与ESFV的释放行为；番茄植株经叶面滴加处理，样品经微波消解后以ICP-MS测定钯，经QuEChERS提取后以GC-MS测定ESFV；利用实验室μ-XRF对叶片中铂分布进行成像；种子在琼脂培养基上萌发，计算发芽指数与根伸长量。样本来源：番茄种子由美国普渡大学Dr. Anjali Iyer-Pascuzzi赠予，植株于水培条件下生长至4周龄。

3.1 验证PdTPBP作为ICP-MS可检测的植物体内纳米载体归宿替代标记物
通过共封装PdTPBP与非释放型ESFV，对三种表面化学（PS-PEG、卵磷脂、HPMCAS）的NCs进行表征，粒径75–100 nm，PDI<0.2，ζ电位从近中性到强负电不等，且不随PdTPBP封装而改变。体外释放实验显示，在水和模拟质外体液（SAF）中，所有配方保留>99%的钯和ESFV。叶面施用96小时后，ESFV和钯的迁移分布无显著差异；Deming回归分析中，y=x线落在95%置信带内，表明PdTPBP是ESFV转运的强代理。同时，三种表面化学的NCs转运曲线相似，研究推测细胞壁筛分效应掩盖了表面电荷的影响，而游离Pd离子对照组与NCs的转运量相当，商业乳油制剂则无系统转运。

3.2 利用实验室μ-XRF映射处理叶片中纳米载体的空间分布
将PtTPP封装于卵磷脂稳定NCs并浓缩20倍，最终铂含量达1.21 mg mL^?1。μ-XRF成像显示，PtTPP处理组在叶脉和中脉附近呈现明显铂富集，而对照（PdTPBP-NCs和空白）无铂信号；以99.7百分位强度作为阈值，约23%像素超过对照，证明实验室μ-XRF可灵敏分辨NCs沉积模式。

3.3 评估纳米载体对番茄幼苗的植物毒性
以PdTPBP-NCs、惰性聚苯乙烯核心NCs和游离Pd离子（1–100×浓度）处理番茄种子，测量发芽指数和根伸长。结果表明，所有NCs处理与空白水对照无显著差异；仅10×和100×游离Pd离子处理显示抑制效应，说明PdTPBP在所用浓度（约50 mg L^?1钯）下无植物毒性。

讨论部分指出，体外释放测试所用SAF缺乏Ni²⁺、Cu²⁺等强竞争性金属离子及丰富生物配体，可能低估去金属化风险；但植物体内Pd与ESFV转运曲线高度一致，证明PdTPBP在真实体系下稳定。表面电荷对转运的预期影响未观察到，可能与细胞壁尺寸排阻（5–20 nm）有关。该技术将用于未来研究活性成分释放与NCs生物转化，通过独立追踪两种组分来识别转运曲线分叉的时空位点。

研究结论翻译：本文结果表明，金属卟啉封装为追踪植物体内有机NCs提供了一种稳健方法，同时保持载体特有的表面化学性质。FNP可重复制备具有不同表面层材料的核壳NCs，并负载PdTPBP及其他疏水货物。NCs在体外释放测试中保留钯，证实示踪剂与递送载体间存在强关联。将共封装NCs叶面施用于番茄植株后，PdTPBP的转运曲线与共封装非释放货物不可区分。这些观察共同证实，PdTPBP能可靠跟踪NCs运动及保留的载荷。金属卟啉示踪剂的通用性进一步通过实验室μ-XRF对处理叶片上PtTPP空间分布的高灵敏成像得到验证。本工作为植物纳米递送研究提供了一种高度模块化的平台技术，支持利用易获取仪器进行配方无关的高通量筛选，并有助于建立植物药代动力学分析标准。未来将探索金属卟啉示踪剂在其他NCs架构和制剂平台中的应用，并鼓励延伸至环境归宿分析和动物/微生物等生物系统。