唐本忠院士團隊:用AIE分子打造細胞“照妖鏡”,可區分細胞系、評估細胞污染和鑒別癌細胞

正如化學分子的地位一樣,細胞對生物學傢、微生物學傢、醫學科學傢、醫生等具有最基本和不可替代的作用。細胞是世界上所有生物中最小但必不可少的結構和功能單位。同時,作為陸地生命的起源,細胞水平的研究有助於瞭解生命進化和應對各種疾病。為瞭保持所有研究結果的可靠性和重復性,必須保持每個細胞系的純度和真實性。但可悲的事實是,自20世紀60年代以來,全球已有400多個使用過的細胞系被誤認。另外,對聚集在正常細胞中的癌細胞的鑒定和分類也更為迫切。因此,設計更多的策略、材料和系統用於細胞系鑒定、受污染細胞評估和癌細胞鑒別是一項緊迫的任務。

最近,唐本忠院士團隊在《ACS Nano》上發表瞭題為“Multifunctional Supramolecular Assemblies with Aggregation-Induced Emission (AIE) for Cell Line Identification, Cell Contamination Evaluation, and Cancer Cell Discrimination”的文章,利用瞭四苯基乙基(TPE)衍生物與葫蘆[8]脲 (CB[8])的主-客體相互作用,構建瞭三種超分子AIE(聚集誘導發射)納米組裝體。TPE衍生物與CB[8]組裝後獲得瞭更強的熒光發射和更高的熒光量子產率。此外,所構建的超分子AIE復合物獲得瞭良好的納米結構,並表現出不同的尺寸和形狀。相應地,它們產生瞭細胞特有的生物特性和熒光增強。受到大數據分析概念的啟發,這些熒光信號通過線性判別分析進一步轉化為細胞獨特的指紋。在定性分析中,可以正確鑒別一個正常的細胞系、兩個癌細胞系和兩個轉移的癌細胞系。更重要的是,它被很好地用於監測交叉污染細胞的評價和癌細胞的鑒別。作為理想的超分子納米材料的生物應用,該系統易於學習和應用,整個過程保持在20分鐘,沒有細胞破壞、離心、洗滌步驟。

唐本忠院士團隊:用AIE分子打造細胞“照妖鏡”,可區分細胞系、評估細胞污染和鑒別癌細胞

圖文導讀

1. 超分子AIE配合物的性能與形貌

為瞭建立主客體識別,選擇瞭三種具有不同吡啶基團的水溶性AIE發光體作為客體分子,而葫蘆[8]脲(CB[8])作為宿主(圖1B)。用1H NMR譜證實瞭這三種含CB[8]的AIE超分子配合物的自組裝行為。

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圖1 (A) 用於細胞系鑒定、細胞污染評估和癌細胞鑒別的多功能超分子AIE組件的過程示意圖。(B) 超分子AIE配合物TPE-2EP@CB[8]、 TPE-3EP@CB[8]和TPE-4EP@CB[8]形成示意圖。

然後,采用紫外可見吸收分光光度計和熒光計研究瞭AIE超分子配合物的光物理性質。與CB[8]結合後,各AIE化合物的吸收顯著降低,其最大吸收峰有不同程度的紅移。由於CB[8]主腔的靜電勢很大,AIE分子與CB[8]組裝後的電子雲分佈受到影響。另外,由於AIE的分子內運動受限(RIM),可以降低能量消耗,因此CB[8]的自組裝行為可進一步增加其熒光強度。

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圖2 TPE-2EP、TPE-3EP和TPE-4EP與CB組裝前後在超純水中的紫外/可見吸收光譜(A)和熒光光譜(B)。

利用掃描電鏡(SEM)和低溫透射電鏡(cryo TEM)對AIE超分子組裝體的形貌進行瞭表征。疏水的TPE核能聚集在一起,CB[8]尾能將吡啶固定在規則的排列。正是這種分子排列導致瞭不同的外觀(大小和形狀)。此外,這也會影響其細胞、生物過程和功能的相互作用能力。而且,三種AIE超分子組裝體在生物應用體系中均能保持其形態特征。

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圖3 TPE-2EP@CB[8]、TPE-3EP@CB[8]和TPE-4EP@CB[8]的顯微照片。

2. AIE超分子配合物的生物應用

用TPE-2EP@CB[8]、TPE-3EP@CB[8]和TPE-4EP@CB[8]對SV-HUC-1細胞(正常)和T24細胞(癌)分別進行染色。三種AIE超分子組裝物均能對細胞進行染色,TPE-2EP@CB[8]效果最好,可以同時染色細胞膜和細胞內。

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圖4用30 μM TPE-2EP@CB[8]/TPE-3EP@CB[8]/TPE-4EP@CB[8]和0.1 μM LTDR染色的SVHUC-1細胞(正常)和T24細胞(癌)在37°C(A)和4°C(B)下的共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)照片。

他們還進行瞭統計分析。同一細胞系上的熒光強度在與不同種類的組件孵育後的增長率是不同的。細胞經TPE-2EP@CB[8]處理的熒光增強最強。這說明三個AIE超分子組裝體對同一細胞系具有不同的親和力,由於它們獨特的外觀。此外,同一種組裝體與不同的細胞株孵育時,其熒光響應也不同。在相同的方案下,T24細胞比SV-HUC-1細胞有更明顯的熒光增量。AIE超分子組裝體對不同的細胞系具有不同的親和力。這種生物學特性為構建熒光指紋圖譜實現細胞分類奠定瞭基礎。

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圖5 用30 μM TPE-2EP@CB[8]、TPE-3EP@CB[8]和TPE-4EP@CB[8]染色的SV-HUC-1細胞(正常,A)和T24細胞(癌,B)的統計分析,分別在不同時間點用流式細胞儀檢測。

探討瞭AIE超分子組裝體用於細胞系鑒定的可行性。選擇SV-HUC-1細胞、T24細胞、UMUC3細胞、DU145細胞和HeLa細胞構建實驗模型。其中SV-HUC-1細胞為正常細胞系,T24細胞和UMUC3細胞為相關但不同的癌細胞系,DU145細胞為男性組的轉移癌細胞系,HeLa細胞為女性組的轉移癌細胞系。三個AIE超分子組裝物在加入上述細胞後呈現特定的熒光強度變化。采用三種組合的三個通道構建細胞識別指紋,可以將所有細胞系完全分離。

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圖6 (A) TPE-2EP@CB[8] 在與受試細胞樣品孵育20分鐘後的熒光強度變化率直方圖。(B和C)用線性判別分析(LDA)熒光響應對5株正常和癌細胞系進行聚類。

他們還實現瞭交叉污染細胞的鑒定。將HeLa細胞以不同比例混入T24細胞。超分子AIE組裝體與所有這些交叉污染細胞孵育後,其熒光強度增加率形成其獨特的圖案特征。采用瞭三通道策略,所有交叉污染的樣本都很好地聚集成協調組,並且彼此完全區別開來。

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圖7 (A) TPE-3EP@CB[8]與測試樣本細胞孵化後20分鐘的熒光強度變化比率直方圖。(B和C) T24細胞含有不同數量的HeLa細胞,用LDA分析其熒光響應進行聚類。

他們對癌細胞與正常細胞的鑒別也進行瞭研究。將正常的SV-HUC-1細胞與其癌T24細胞進行不同數量的混合。同樣采用三通道策略實現瞭癌細胞的識別。

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圖8 (A) TPE-4EP@CB[8] 在與受試細胞樣品孵育20分鐘後的熒光強度變化率直方圖。(B和C)用LDA分析熒光響應對含有不同數量癌細胞的正性細胞進行聚類。

亮點小結

總之,通過主客體超分子化學,設計瞭三種具有良好納米結構的超分子AIE組裝體,以獲得更強的熒光發射和更高的熒光量子產率。利用不同的組裝行為,它們在與測試細胞孵育後呈現特定的熒光響應。通過LDA進一步將這些熒光信號轉換成二維標準分數圖,迅速構建瞭具有很強分辨力的指紋圖譜,實現瞭對正常細胞系、不同癌細胞系和不同轉移癌細胞系的定性鑒別。AIE超分子組裝體在基礎研究和臨床治療中有著廣闊的應用前景。

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c03404

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