Advanced Healthcare Materials:荧光碳点监测斑马鱼伤口愈合过程中极性变化

细胞极性是一个重要的微环境参数。它与许多细胞过程密切相关,包括细胞增殖、凋亡和分化。同时,细胞极性的异常变化与多种疾病关系密切。然而极性是非常复杂的,涉及一系列非共价相互作用,例如偶极/极化相互作用和氢键。因此,开发一种有效监测细胞极性的方式是是相当重要的,同时也是具有挑战性的。在生物体中,创伤愈合是一个复杂的过程,并且由于存在细胞的活化和募集而受细胞微环境变化的影响。目前,对伤口愈合机制和影响其疗效因素的研究已经取得了重大进展,带来了更好的治疗方法。多个研究小组已经报道了活性氧物种(ROS)是伤口愈合的关键信号分子。那么,作为微环境相关参数的细胞极性在伤口愈合过程中是否会发生变化呢?这是一个有待研究的问题。

基于上述问题,郑州大学屈凌波教授、李朝辉教授课题组近期报道了一种对极性灵敏响应的近红外碳点用于监测斑马鱼伤口愈合过程中的极性变化的实验。以N-苯基对苯二胺为前驱体,在乙醇溶液中用一步溶剂热法合成了红光碳点PPh-CDs。由于该碳点靶向溶酶体且对极性有较好的响应,PPh-CDs被用于实时监测溶酶体的极性变化。这是首次利用该方法对斑马鱼伤口愈合过程中的极性动态变化进行监测。实验发现,在斑马鱼尾部截肢后,伤口处出现较强的PPh-CDs荧光,并且在25min达到最强,然后逐渐减弱。该实验结果为利用极性敏感的CDs研究伤口愈合提供了重要的实验依据。

图1. PPh-CDs的合成及其用于监测溶酶体极性、斑马鱼断尾过程中极性变化的示意图。

在本研究中,为了分析PPh-CDs对极性的响应效果,研究者向不同比例的1,4-二氧六环与水的混合溶液中,加入了等体积等质量浓度的碳点,以测量碳点的荧光强度与溶液的极化率Δf的关系(图2)。研究发现,极性越小,碳点的荧光越强,并且碳点在纯1,4-二氧六环中的荧光强度是在纯水中的509倍。同时,碳点的荧光强度与溶液的极化率Δf成线性。

图2. 碳点的光谱性质及对极性响应性能测试。

研究者通过碳点与溶酶体商染试剂共染发现PPh-CDs对溶酶体具有良好的靶向性。并且通过共聚焦成像正常状态及饥饿状态下细胞溶酶体中碳点的荧光强度实现了对细胞溶酶体极性变化的动态监测效果(图3)。

图3. PPh-CDs在细胞正常状态及饥饿状态下共聚焦成像图。

在以上实验基础上,科研人员研究了PPh-CDs对斑马鱼的成像效果及区分了胚胎斑马鱼与成熟斑马鱼的极性。结果如图4所示,PPh-CDs对斑马鱼具有较好的成像效果,且在发育过程中斑马鱼的极性较成熟时期的斑马鱼更小。

图4. PPh-CDs在斑马鱼发育过程中的共聚焦成像图像。

最后,科研人员通过对斑马鱼尾部截肢操作研究了斑马鱼在伤口愈合过程中极性的变化。结果如图5所示,斑马鱼伤口处的荧光强度随着时间增长而增加,并且在25分钟时达到最大值,其后随着时间增长荧光强度减弱。即伤口出现初期,极性不断减小,25分钟后极性增加。

图5. PPh-CDs监测斑马鱼伤口引发极性变化。

通过改变对苯二胺氨基上的取代基,制备了近红外极性敏感的PPh-CDs。其中苯环的引入增强分子的供电子能力并扩大了分子的电子共轭,从而增强了分子内的电荷转移,使PPh-CDs对极性表现出极高的敏感性。PPh-CD被成功地应用于监测活细胞在饥饿条件下溶酶体极性的变化,并对斑马鱼发育过程中的极性进行了成像。同时,本研究首次对斑马鱼伤口愈合过程中极性的动态变化进行了监测。实验表明,细胞极性的变化可以作为斑马鱼发育和伤口愈合过程的信号。这篇论文为利用极性敏感的CDs研究伤口愈合提供了重要的实验基础。

郑州大学李朝辉教授和孙远强副教授为论文共同通讯作者,论文第一作者为2019级博士研究生胡静玉。

论文信息:

Spying on the Polarity Dynamics during Wound Healing of Zebrafish by Using Rationally Designed Carbon Dots

Jingyu Hu, Ran Yang, Haoyue Qin, Yuanqiang Sun*, Lingbo Qu, Zhaohui Li*

Advanced Healthcare Materials

DOI: 10.1002/adhm.202002268

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202002268