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科研進(jìn)展

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Angew. Chem. 丨新型探針監測凋亡過(guò)程亞細胞區室中細胞色素 c

發(fā)布時(shí)間：2024-07-24 作者：江蘇瑞明生物科技有限公司 點(diǎn)擊次數：71次

內容概要：

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近日，中國地質(zhì)大學(xué)夏帆教授和黃福建教授課題組設計了新型光學(xué)探針和電化學(xué)探針，可在單細胞水平上定量評估細胞亞結構中的細胞色素c（Cyt.c）。定量分析和比較了非凋亡或凋亡條件下惡性乳腺細胞（MCF-7、MB-MDA-231）和上皮性乳腺細胞（MCA-10A）中Cyt.c的水平，證明了凋亡時(shí)的顯著(zhù)濃度差異和易位效率。研究以“Optical and Electrochemical Probes for Monitoring Cytochrome c in Subcellular Compartments During Apoptosis”為題發(fā)表在國際著(zhù)名期刊Angewandte Chemie International Edition上。

細胞色素c（Cyt.c）是半胱天冬酶（caspases）激活細胞凋亡的關(guān)鍵啟動(dòng)劑。細胞結構區室中Cyt.c含量的時(shí)空評價(jià)以及細胞凋亡期間細胞結構區室之間Cyt.c傳遞的檢測，對于分析細胞活力非常重要。本研究設計了用于單細胞水平Cyt.c定量評估的光學(xué)探針和電化學(xué)探針。該光學(xué)/電化學(xué)探針用光響應的鄰硝基芐基磷酸酯-籠狀Cyt.C適配體結構進(jìn)行功能化。在光刺激條件下，籠狀結構將在單細胞結構區室內打開(kāi)，從而允許在非凋亡或凋亡條件下通過(guò)形成Cyt.c適配體復合物來(lái)時(shí)空檢測Cyt.c。該探針可用于在凋亡/非凋亡條件下區分上皮MCF-10A乳腺細胞、惡性MCF-7和MDA-MB-231乳腺細胞的細胞區室中Cyt.c的含量。在這項研究中，實(shí)時(shí)單細胞多模態(tài)分析儀為電化學(xué)探針的亞細胞結構定位和檢測提供了分析工具。




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研究圖文


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圖1. 單個(gè)活細胞中Cyt.c的時(shí)空檢測。A） 監測亞細胞區室中Cyt.c的示意圖。B） Cyt.c的光學(xué)信號打開(kāi)（Signal-ON）的熒光檢測原理。C）通過(guò)氧化還原活性核酸框架修飾的納米電極對Cyt.c進(jìn)行信號關(guān)閉（Signal-OFF）電化學(xué)檢測的原理。


結構設計上，光學(xué)探針包括一個(gè)光響應的磷酸硝基苯酯橋聯(lián)雙鏈框架，該框架由籠狀抗Cyt.c適配體序列組成，并用一對熒光標記和一個(gè)與AS1411適配體偶聯(lián)的猝滅劑進(jìn)行修飾，作為細胞滲透載體。電化學(xué)探針由修飾有光響應鄰硝基芐基磷酸酯橋接核酸雙鏈體的納米電極組成，該雙鏈體由亞甲藍（MB+）氧化還原標記功能化的籠狀Cyt. c適配體鏈組成。

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圖2. 通過(guò)光學(xué)或電化學(xué)納米探針的熒光和電化學(xué)檢測Cyt.c。A） 溶液中Cyt.c的檢測示意圖：（i）熒光光學(xué)納米探針。（ii）電化學(xué)氧化還原修飾的納米電極。B）（i）實(shí)時(shí)監測光活化熒光探針的熒光變化（ii）在分析不同濃度的Cyt.c時(shí)實(shí)時(shí)監測光活化熒光探針的熒光變化。C）（i）對應于光活化的電化學(xué)探針的伏安曲線(xiàn)（ii）對應于不同濃度Cyt.c下光活化電化學(xué)探針的電流變化的伏安曲線(xiàn)。D）Cyt.c檢測的校準曲線(xiàn)。E）通過(guò)光學(xué)或電化學(xué)探針對Cyt.c分析的選擇性評估。


檢測原理上，合成的光學(xué)探針會(huì )滲透到細胞中，探針的時(shí)空光化學(xué)解封，隨后分離，同時(shí)形成熒光Cyt. c適配體復合物，產(chǎn)生熒光信號。而電化學(xué)探針則在限定的單細胞區室（線(xiàn)粒體、細胞質(zhì)、細胞核）中的空間定位之后，通過(guò)感測模塊的光激活，導致氧化還原標記的MB+-Cyt. C適配體/Cyt. c復合物的分離。隨后，伴隨的時(shí)空伏安變化允許在單細胞水平上對細胞亞結構中的Cyt. c進(jìn)行時(shí)空定量分析。

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圖3。單個(gè)Hela細胞不同區室中Cyt.c濃度的電化學(xué)評估。A）明場(chǎng)細胞圖像和Calcein AM染色的單細胞，紅圈表示Cyt.c納米電極的定位。B） 對應于電化學(xué)納米電極探針在目標分析位點(diǎn)的響應伏安圖（用紅圈標記），其中黑色曲線(xiàn)未進(jìn)行UV活化，紅色曲線(xiàn)進(jìn)行了UV活化。



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圖4. A）劑量控制CaCl2處理誘導Hela細胞凋亡，用于Cyt.c檢測的光學(xué)探針的UV光激活檢測示意圖。B） CaCl2誘導的細胞凋亡的Hela細胞共聚焦顯微鏡圖像。


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圖5. 在不同濃度的CaCl2存在下，在不同時(shí)間間隔刺激細胞凋亡時(shí)Hela細胞細胞質(zhì)中Cyt.c濃度的電化學(xué)探測。


實(shí)驗結論上，該光學(xué)和電化學(xué)檢測單個(gè)Hela癌癥細胞亞結構中Cyt. c，并證明了細胞凋亡時(shí)Cyt. c從線(xiàn)粒體向細胞質(zhì)的動(dòng)態(tài)移位。此外，定量分析和比較了非凋亡或凋亡條件下惡性乳腺細胞（MCF-7；MB-MDA-231）和上皮性乳腺細胞（MCA-10A）中Cyt. c的水平，并證明了凋亡時(shí)的顯著(zhù)濃度差異和易位效率。

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圖6. A） 未凋亡MCF-7、MDA-MB-231和MCF10A細胞經(jīng)光學(xué)熒光探針顯示后的共焦顯微鏡圖像B） 同種細胞在250 mM CaCl2處理下誘導凋亡。C）、D）、E)三種細胞不同結構區室內（胞質(zhì)、線(xiàn)粒體、胞核）Cyt.的電化學(xué)探測。


總之，本研究引入了基于適配體的光響應光學(xué)和電化學(xué)探針，用于單細胞水平上Cyt.c的時(shí)空檢測。鄰硝基芐基磷酸酯保護的納米探針的光誘導解封，使光學(xué)或電化學(xué)探針能夠被指令觸發(fā)、空間靶向地激活，用于在單細胞水平上Cyt.c檢測和成像。包括定量評估由線(xiàn)粒體、細胞質(zhì)和細胞核組成的單細胞區室、活細胞和凋亡細胞中的Cyt.c。該研究提供了在單細胞水平上擴展亞細胞區室上其他生物標志物時(shí)空檢測的實(shí)驗工具。

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文獻詳情


Optical and Electrochemical Probes for Monitoring Cytochrome?c in Subcellular Compartments During Apoptosis

Duan, Z., Ouyang, Y., Fu, Y., Huang, F., Xia, F., Willner, I., Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202301476; Angew. Chem. 2023, e202301476.


《Angew. Chem. Int. Ed.》是綜合化學(xué)領(lǐng)域的世界頂級學(xué)術(shù)期刊，2022年影響因子16.823，收錄的文章主要分布在有機化學(xué)、生命有機化學(xué)、材料學(xué)、高分子化學(xué)等領(lǐng)域，注重科研成果的原創(chuàng )性、重要性、驚奇性，內容的通俗性以及科學(xué)的正確性，在全球具有強大的學(xué)術(shù)影響力。


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