pH敏感双亲性聚合物实现细胞内微小pH变化超灵敏双光子成像

细胞内的pH是一个极其重要的生理参数,它和多种细胞行为包括生长,分化,凋亡等过程密切相关。例如,细胞内pH的微小上升和细胞周期进程如增殖、分化等密切相关;而pH值的微小下降可能暗示着细胞凋亡。异常的pH值通常导致细胞功能紊乱并预示着一些重要的疾病如癌症、中风、老年痴呆症等。因此,准确的测量细胞内微小pH变化不仅能够揭示各种细胞行为与胞内pH变化的内在联系,对于研究细胞病理同样具有非常积极意义。

传统的用于细胞/组织水平的pH探针一般主要分为三类:(1) 检测内涵体、溶酶体与肿瘤弱酸环境中的酸性pH探针;(2) 检测细胞质等中性环境的中性pH探针;(3) 检测线粒体等碱性细胞器的碱性pH探针。虽然内涵体与溶酶体等酸性细胞器的pH值以及内涵体到溶酶体转变时pH值变化过程已经有了相对深入的研究。值得注意的是,相对于内涵体/溶酶体几个pH单位的变化,胞质内pH变化幅度较小通常仅为0.3-0.5 pH,准确地测量这一微小变化仍然是一个严峻的挑战。另一方面,基于响应性嵌段共聚物的胶束和囊泡组装体作为药物和基因传递纳米载体近年来受到了广泛的关注。刺激响应性纳米载体在特定触发条件如pH值、酶和氧化还原等条件下可以有效提高药物的生物利用度。其中,pH值响应嵌段共聚物纳米载体在运输过程中进入酸性细胞器如内涵体和溶酶体,发生纳米载体的解离。因此,实时定量监测胶束纳米载体在细胞内所处pH值的变化历程有助于进一步澄清内吞运输途径和亚细胞分布,对于进一步优化设计生物响应性纳米载体和调控pH敏感药物释放有重要意义。

针对这一问题,中国科学技术大学高分子科学与工程系及中科院软物质化学重点实验室刘世勇教授课题组利用双光子荧光示踪技术定量地测量聚合物纳米载体经内吞进入细胞后pH变化,实现了细胞内微小pH变化的高灵敏比例型检测。他们将两种荧光染料:pH惰性的蓝色荧光香豆素基元(CMA)和pH敏感的绿色荧光苯并噻唑基元(BTPE),分别共价标记到双亲性嵌段聚合物的pH敏感的聚(N,N-二异丙基氨乙基甲基丙烯酸酯) (PDPA)嵌段和亲水聚(寡聚(乙二醇)单甲醚甲基丙烯酸酯) (POEGMA)链端。在中性pH条件下,该双亲性嵌段聚合物自组装形成PDPA为核的胶束,CMA荧光被去质子化PDPA经光致电子转移(PET)效应淬灭而表现为BTPE基元的绿色荧光;当胶束组装体被细胞摄取后进入到内涵体和溶酶体等酸性细胞器时,促使PDPA嵌段质子化解离同时BTPE基元荧光减弱而发出CMA基元蓝色荧光。在pH 2-8范围内,该双亲性嵌段聚合物荧光强度比例存在约250倍变化。更为重要的是:在pH 5.3-6.2范围内,检测灵敏度低于0.1 pH单位,实现了细胞微小pH变化的超灵敏检测。