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Nature Communications:高內涵助力納米材料新劑型研究--酶分子的胞內高效遞送、催化和檢測
近日，中國科學院過程工程所(IPE)生化工程國家重點實驗室生物劑型與生物材料課題組與清華大學(THU)及天津大學(TJU)合作，基于無定形金屬有機框架開發出一種新劑型，可實現酶分子的細胞內高效遞送和催化，在單細胞水平上實現細胞代謝產物的原位檢測。該工作發表于Nature Communications 2019，10，5165，題目為"Packaging and delivering enzymes by amorphous metal-organic frameworks"。
受限于細胞膜的屏障作用和細胞內的降解因素，外源的酶分子難以進入細胞內發揮高效的催化反應。為解決上述難題，本論文的研究團隊制備了新型的無定形態金屬有機骨架納米顆粒，用于酶分子的負載。該劑型能夠克服細胞膜屏障，將酶分子高效遞送進細胞中；同時利用納米顆粒的保護作用，保證酶分子的天然活性；進一步借助無定形態金屬有機骨架的介孔結構(3-6 nm，晶態結構僅1 nm)，強化底物和產物的傳質擴散(圖1 a-d)。基于上述優勢，該劑型可用于細胞內代謝產物的原位檢測。以葡萄糖為例，經過該劑型催化后的產物可以與相應的熒光探針反應，借助高內涵技術在單細胞水平上實現無損傷的實時定量檢測，細胞在96孔板中貼壁24小時后，加入納米顆粒包裝的葡萄糖氧化酶及底物熒光探針，使用Operetta CLS高內涵系統連續觀察4小時(37 °C and 5% CO2)，輸出各組長時間細胞熒光圖像。使用Harmony分析軟件計算獲得單細胞熒光信號變化數據，結果顯示葡萄糖代謝活躍度高的腫瘤細胞顯示更高的熒光強度(HepG2>4T1>MCF-7>MGC803)。此方法可用于細胞代謝狀態的判斷以及正常細胞和癌細胞的區分(圖1 e-j)，相比傳統的化學方法，保證精確度的同時實現了活細胞無損傷原位葡萄糖代謝檢測，為慢性病的監控和癌癥的早期診斷提供了新思路。
圖1 無定形金屬有機框架納米劑型的構建及其在細胞代謝物原位檢測中的創新應用。無定形納米載體(a)及酶-無定形納米載體復合物(b)的掃描電鏡圖；(c)Cryo-EM成像顯示無定形載體的結構；(d)酶分子經過負載后的表觀活性；不同代謝狀態下細胞的熒光強度變化圖(e)以及對應高內涵圖像(f)正常肝細胞(橙色)和肝癌細胞(藍色)的熒光強度變化圖(g)以及對應高內涵圖像(h)；(i)不同細胞胞內葡萄糖濃度和熒光強度的關系；(j)每種細胞熒光強度達到峰值時的對應圖像。
吳曉玲博士(THU)、岳華副研究員(IPE)和博士生張原宇(THU)為本文共同第一作者，戈鈞長聘副教授(THU)、魏煒研究員(IPE)、張麟教授(TJU)和李賽研究員(THU)為本文共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金優秀青年基金以及國家重點研發計劃項目等支持。
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