具有谷胱甘肽响应近红外二区荧光的有机 - 无机 PO@Ag?S/CuS 复合纳米探针的便捷构建

《Inorganic Chemistry Communications》:Facile construction of an organic-inorganic PO@Ag?S/CuS hybrid nanoprobe with GLS-responsive NIR-II fluorescence

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月07日 来源:Inorganic Chemistry Communications 5.9

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   摘要设计具有可切换近红外-II(NIR-II)发射的响应性杂化纳米材料,对于先进的光电子和生物光子应用具有重要意义。本文报道了一种通过乳化策略简便制备的新型有机-无机杂化纳米探针(PO@Ag?S/CuS)。该纳米探针由Ag?S和CuS量子点(QDs)共封装于生物响应性两亲性聚

  

摘要

设计具有可切换近红外-II(NIR-II)发射的响应性杂化纳米材料,对于先进的光电子和生物光子应用具有重要意义。本文报道了一种通过乳化策略简便制备的新型有机-无机杂化纳米探针(PO@Ag?S/CuS)。该纳米探针由Ag?S和CuS量子点(QDs)共封装于生物响应性两亲性聚(γ-谷氨酸)-十八胺(PGA-ODA)聚合物壳层中构成。在完整的杂化组装体中,CuS量子点通过浓度依赖机制充当高效猝灭剂,使系统保持荧光"关闭"状态。暴露于谷氨酰胺酶(GLS)时,PGA-ODA壳层被特异性酶解,导致纳米探针结构解体。Ag?S和CuS量子点的空间分离触发了NIR-II荧光的显著恢复。系统的结构和光谱表征证实了该杂化纳米材料具有明确的球形形貌、均匀的元素分布和可动态调节的光学性质。荧光成像证实其对GLS具有特异性的时间和浓度依赖响应以及优异的生物安全性。本工作提出了一种组装动态无机-有机杂化材料的稳健策略,在靶向生物成像领域具有潜在应用前景。

引言

作为许多疾病的关键生物标志物,酶在生物系统中发挥着至关重要的作用 [1], [2], [3], [4]。因此,酶活性的分子成像至关重要 [5], [6], [7], [8]。谷氨酰胺酶(GLS)在多种肿瘤中显著过表达 [9],使其成为开发酶激活探针的理想分子靶点 [10]。然而,传统的"常开"探针会产生持续的背景信号 [11],难以区分病变组织与正常组织,严重损害检测特异性 [12], [13], [14]。激活型探针仅在目标酶存在时开启信号,为克服这一局限提供了一种有前景的策略 [15], [16], [17], [18], [19]。
NIR-II荧光成像(1000–1700 nm)因其组织穿透深、信噪比高和自发荧光低等优势,已发展成为强大的分子成像手段 [20], [21], [22], [23], [24], [25]。在NIR-II荧光纳米探针中,Ag?S量子点因其低毒性 [26]、优异的生物学安全性 [27] 和卓越的 photostability [28], [29] 而备受关注。为了实现高特异性检测,激活型探针的设计至关重要。F?rster共振能量转移(FRET)是构建此类探针最常见的机制之一 [30], [31],其中供体与受体之间的能量转移导致荧光猝灭 [32], [33]。受此策略启发,我们引入CuS量子点作为潜在猝灭剂 [34],并将其与Ag?S量子点共封装,旨在构建一种在非活化状态下保持低背景荧光的猝灭型纳米探针,从而为后续酶触发的荧光开启奠定基础。
目前,已有多种荧光探针被开发用于检测生物酶。例如,一种针对NQO1的醌-萘酰亚胺探针 [35] 展现了卓越的酶响应性。此外,Myochin等人开发了一种基于硅-罗丹明猝灭剂的近红外MMP探针,其中酶触发的底物水解将荧光团从猝灭剂中释放出来,产生开启型荧光信号 [36]。尽管这些探针体系在特定应用中表现出优异的响应性,但其在实际应用中的实现可能面临合成复杂、荧光稳定性有限以及潜在细胞毒性等问题,限制了其在复杂生理环境中的效用。作为一种天然生物高分子,聚(γ-谷氨酸)(γ-PGA)具有优异的生物相容性 [37],且极易被GLS特异性水解 [38]。近期,Yuan等人报道了将两亲性PGA-ODA共聚物作为GLS响应性载体 [39], [40]。本纳米探针采用有机-无机杂化设计 [41], [42], [43],以PGA-ODA作为酶响应性载体,共封装紧密堆积的Ag2S和CuS量子点。在该完整结构中,CuS量子点以浓度依赖方式高效猝灭NIR-II荧光,使探针保持"关闭"状态。同时,PGA-ODA壳层作为GLS可切割底物。暴露于GLS时,PGA骨架被特异性切割,导致纳米结构解体。因此,Ag?S和CuS量子点空间分离,解除猝灭效应并恢复NIR-II荧光(方案1)。这种合理设计确保荧光信号仅在目标酶存在时被激活,有效提高了成像特异性。
为了验证这一合理设计,我们成功制备了名为PO@Ag2S/CuS的GLS可激活NIR-II荧光纳米探针,并进行了系统评价。全面的表征证实了纳米探针的成功构建及其有机-无机杂化特性。与我们的假设一致,荧光光谱显示共封装的CuS对Ag2S具有高效的浓度依赖猝灭作用。此外,透射电子显微镜(TEM)直接可视化了GLS触发的解体过程,揭示了从完整球形纳米颗粒到分散量子点的显著形貌转变。因此,GLS处理组相比未处理对照组表现出显著的NIR-II荧光开启。时间依赖评价进一步显示荧光逐渐增强,证实了探针的高效激活动力学。结合通过Cell Counting Kit-8(CCK-8)测定所确立的优异生物安全性,我们的研究结果共同表明,这种PO@Ag2S/CuS纳米探针为精确荧光成像GLS过表达的生物微环境提供了一个稳健且高度特异性的平台。

章节摘要

材料

γ-聚谷氨酸(γ-PGA,MW:10 kDa)购自赛泰斯生物技术(江苏,中国)。谷氨酰胺酶(GLS,SD-100S)购自味之素酵素(日本)。十八胺(ODA)购自Energy Chemical。N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)购自Sigma Chem(美国)。CuS量子点购自瑞熙生物科技有限公司(西安,中国)。

PGA-ODA的合成

PGA-ODA共聚物通过EDC和NHS激活的酰胺化过程制备 [39]。简而言之,将400 mg γ-PGA分散在10 mL

PGA-ODA的制备

为了构建GLS响应性荧光探针,首先根据文献方法 [39], [40] 合成了两亲性聚合物聚(γ-谷氨酸)-ODA(PGA-ODA)。EDC/NHS介导的酰胺偶联使ODA共价接枝到γ-PGA骨架上的羧基侧基上。由于具有亲水性γ-PGA骨架和疏水性ODA接枝,所得PGA-ODA具有突出的两亲性(图1a)。γ-PGA、ODA以及

结论

总之,通过简便的乳化方法成功开发了一种基于PGA-ODA和Ag2S/CuS杂化的新型GLS可激活NIR-II荧光纳米探针。系统评价证实了该纳米探针具有明确的形貌、均匀的元素分布和有利的I光学性质。PO@Ag?S/CuS纳米探针表现出高效的CuS介导的荧光猝灭,随着CuS含量增加,NIR-II发射强度逐渐降低,从而

CRediT作者贡献声明

Lyu Nan:原稿撰写、验证、方法论、数据整理。Má Changchun:验证、调查。Guàn Bówěn:调查、形式分析。Zhāng Xiǎomín:可视化、调查。Qū Bōtāo:审稿与编辑、原稿撰写、经费获取、概念化。Lín Yán:审稿与编辑、监督、经费获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由国家自然科学基金(编号:82071973、82572207)、广东省基础与应用基础研究基金(编号:2020A1515011022、2023A1515010326、2026A1515011684)、广东省重点研究平台与项目(编号:2022ZDZX2020)、山西省自然科学基金(编号:202403021211183)资助。我们感谢山西白求恩医院医学实验中心为本研究提供了必要的实验设备,
林炎 博士、医学硕士、副主任/主任医师/教授。邮箱: ylin1@stu.edu.cn. 简介。 汕头大学医学院第二附属医院主任医师(2012年至今)。英国诺丁汉大学磁共振物理博士(2008–2011)。美国内布拉斯加大学医学中心访问学者(2016)。研究方向 大数据、人工智能以及基于核磁共振/质谱的组学技术在肿瘤代谢和肿瘤微环境研究中的应用。开发MRL/MRS方法用于
刘楠|马长春|管博文|张小敏|曲博涛|林炎
汕头大学医学院第二附属医院放射科,汕头 515041,中国
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