荧光寿命成像技术实时监控纳米颗粒在细胞内的稳定性

shangli

纳米颗粒凭借其独特的物理化学性能,在生物医学领域具有广泛的应用前景,比如细胞标记、疾病诊断、药物传输、癌症治疗等。这些纳米尺度的颗粒在进入生物体系后,由于其较大的比表面积,很容易与其周围的环境发生相互作用。生物体系内复杂的化学环境会改变这些纳米颗粒的稳定性,比如发生降解。一方面,纳米颗粒的降解可能会释放出有毒的离子,引发潜在的生物毒性。另一方面,纳米颗粒的物理化学性质会因为降解而发生改变,从而会影响其相应的生物医学应用的性能。因此,考察纳米颗粒在生物体系内的稳定性对于如何高效、安全地利用纳米科技具有重要的意义,已引起了国际上的广泛关注。已有的研究手段主要是通过透射电镜、质谱、元素追踪等方法来考察纳米材料在生物体系内的稳定性,但这些方法都需要预处理生物样本,因而很难获取纳米颗粒在真实的生物环境内的行为。

德国卡尔斯鲁厄理工学院应用物理系尚利博士、G. Ulrich Nienhaus教授及其研究团队近期利用荧光寿命成像显微镜技术(Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, FLIM),成功地实现了可以实时监控发光纳米颗粒在活细胞内的稳定性。FLIM不仅具有其它荧光显微镜所具有的高灵敏度、可检测活体生物样品等优点,它在监控荧光纳米材料的稳定性上还具有以下几个优势:(1)荧光寿命不受荧光探针的浓度的影响,可排除纳米材料的胞吐及细胞分化导致的纳米颗粒的稀释等对测量的影响;(2)很多常见的发光材料的荧光寿命都远远大于细胞的自荧光的寿命,很易去除生物自荧光对荧光成像的干扰;(3)发光材料的荧光寿命和其材料的稳定性密切相关,荧光寿命的改变可以灵敏地反映相应材料的化学稳定性。基于上述原理,他们利用FLIM技术系统考察了半导体量子点和金纳米簇在活的癌细胞(HeLa)里72小时内的稳定性,以及不同的表面配体对这一过程的影响。实验发现这些纳米颗粒在通过内吞途径进入细胞后,均发生了不同程度的降解,表现为它们的荧光寿命逐步衰减。表面配体与核材料间的结合力的强弱直接决定了这些纳米颗粒在细胞内的稳定性状况。此外,他们还发现细胞溶酶体内的酸性环境以及纳米颗粒和细胞内的生物分子间的相互作用在这些纳米颗粒的降解中起着重要的作用。相关结果于最近发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201503316)。

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