本文要點：目前，可通過植物納米離子傳感器與專門設計的納米探針連接，來實時監(jiān)測植物中的信號分子，這些納米探針已被認為是獨立于物種的分析工具。作者發(fā)現(xiàn)了一種有效的NIR-II熒光MOF納米探針作為植物納米離子傳感器，用于實時監(jiān)測植物中的三磷酸腺苷（eATP）信號。這些納米探針具有優(yōu)異的特性使得能夠在植物環(huán)境脅迫下以優(yōu)異的靈敏度和選擇性非破壞性地實時研究eATP信號傳導波動。植物納米離子傳感器作為一組新興的工具，用于快速和大規(guī)模的植物表型研究復雜信號網(wǎng)絡。

三磷酸腺苷（ATP）是所有生物體的通用能量來源；它通常以高濃度被限制在細胞中，并在某些刺激（創(chuàng)傷、炎癥或腫瘤）下釋放到細胞外基質(zhì)中。釋放到細胞外的ATP（eATP）被認為是調(diào)節(jié)細胞生長并誘導動物和植物細胞中的免疫應答的信號傳導分子。植物納米離子傳感器的概念首先由Strano等人提出，并已應用于植物信號分子的體內(nèi)檢測，其中將設計的具有第二近紅外熒光的納米探針注入活體植物中，用于監(jiān)測信號分子動態(tài)。

作者設計了一種基于IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的新型植物納米離子傳感器，用于跟蹤植物葉片切片中eATP的時空動態(tài)。將疏水性近紅外染料（IR-1061）嵌入兩親聚合物（DSPE-mPEG，2000）層中以形成穩(wěn)定的水溶性膠束。金屬有機骨架（MOF）ZIF-90在這些膠束的表面上生長，導致熒光強度增強。將IR-1061膠束@ZIF-90納米探針注射到菠菜葉中，并且由于它們的尺寸而位于細胞外基質(zhì)中。當ZIF-90在體內(nèi)被eATP分解時，熒光根據(jù)ATP濃度而降低。此外，植物納米離子傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測由環(huán)境脅迫，特別是創(chuàng)傷引起的各種植物中的eATP波動。

通過用兩親聚合物（DSPE-mPEG，2000）和MOF（ZIF-90）連續(xù)包封疏水NIR-II染料（IR-1061）來合理設計納米探針（圖1a）。IR-1061是典型的水不溶性聚甲川NIR-II熒光團（圖1b），由于與水分子的猝滅相互作用，其存在水溶液中亮度有限的問題。因此，將其包封在兩親性聚合物DSPE-mPEG 2000中（圖1b）以形成IR-1061膠束的親水性納米顆粒。此外，在 IR-1061 膠束上涂覆了對ATP敏感的MOF層ZIF-90，生成了具有明亮NIR-II熒光發(fā)射的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針。

IR-1061膠束平均尺寸為55.2 nm，在水溶液中顯示出良好的溶解度（圖1c）。IR-1061膠束在水溶液中的吸收峰和發(fā)射峰分別為962 nm和1004 nm，由于IR-1061分子在膠束中的局部環(huán)境與在甲醇中的局部環(huán)境不同，其與在甲醇中的IR-1061相比均藍移（圖1d）。IR-1061膠束具有較好的光穩(wěn)定性，在808 nm激光照射下10 min，IR-1061膠束的發(fā)光強度保持在90%以上。

IR-1061納米探針通過MOF ZIF-90在IR-1061膠束周圍生長來制備。使用Zn 2+與2-ICA的比例為4：25和10 μM IR-1061膠束的優(yōu)化參數(shù)，制備了尺寸為266.1 nm的均勻和分散的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針（圖1 e和f）。IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的PXRD峰與實驗ZIF-90和模擬ZIF-90的PXRD峰一致，表明IR-1061膠束的包封對ZIF-90的晶格畸變具有可忽略的影響（圖1g）。

圖1

低量子產(chǎn)率是存在于NIR-II熒光團中的一般缺點。IR-1061作為典型的NIR-II熒光團，在水溶液中顯示有限的亮度。作者發(fā)現(xiàn)，在涂覆ZIF-90后，探針顯示出與IR-1061膠束相比顯著的16.6倍熒光增強，伴隨著NIR-II熒光峰從1004 nm藍移至924 nm（圖2a和b）。該現(xiàn)象不同于傳統(tǒng)的看法，即在熒光分子周圍涂覆MOF將掩蓋熒光發(fā)射。為了研究這種熒光增強的機制，作者使用相同的金屬源和不同的有機配體與ZIF-90合成了幾種MOF以封裝IR-1061膠束（圖2d）。

與IR-1061膠束相比，IR-1061膠束@ZIF-8納米顆粒的熒光在被ZIF-8覆蓋后降低，而IR-1061膠束@ZIF-93納米顆粒的熒光在包封在ZIF-93中后增強3.3倍（圖2c）。根據(jù)實驗結果，推測MOFs中的醛基在增強熒光中起著至關重要的作用，NIR-II熒光團的供體上的吸電子或供電子基團的修飾能夠調(diào)節(jié)熒光團發(fā)射強度。為了進一步證實，將具有供電子羥基的MOF-74涂覆在IR-1061膠束上，并且相應的熒光也降低（圖2c）。通過將熒光團封裝到具有吸電子基團的MOF中來增強NIR-II熒光團的亮度是一種新穎的策略。此外，研究了IR-1061膠束@ZIF-90納米探針在水溶液中的NIR-II熒光穩(wěn)定性。納米探針在水溶液中的熒光發(fā)射在24小時監(jiān)測期間相當穩(wěn)定（圖2 e和g）。

圖2

此外，將IR-1061膠束@ZIF-90注射到3周齡菠菜葉的葉片中，以顯示納米探針在活植物中的活力（圖3a）。通過浸潤葉的NIR-II顯微成像，IR-1061膠束@ZIF-90納米探針集中在葉的氣孔和細胞外基質(zhì)上，表明通過葉氣孔運輸并定位在葉的細胞外基質(zhì)中（圖3b）。定位于細胞外的納米探針能夠檢測創(chuàng)傷誘導的細胞外ATP產(chǎn)生。滲透到葉子中的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的NIR成像表現(xiàn)出強烈且清晰的NIR信號（圖3a）。近紅外信號顯示15 h的背景波動可忽略不計，表明納米探針在植物復雜基質(zhì)中的穩(wěn)定性質(zhì)。

通過測量植物體內(nèi)外源ATP引發(fā)的IR-1061膠束@ZIF-90的近紅外熒光，評價了IR-1061膠束@ZIF-90納米探針用于體內(nèi)ATP標記的可行性。將不同濃度的三磷酸腺苷(ATP)的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針滲透到葉片中，獲得近紅外熒光圖像。隨著ATP濃度的增加，IR-1061膠束@ZIF-90的NIR-II發(fā)射強度逐漸降低(圖3C和d)。ATP濃度在0至100 μM范圍內(nèi)與IR-1061膠束@ZIF90的熒光強度之間存在線性關系（圖3e）。這表明IR-1061膠束@ZIF-90納米棒能夠檢測活植物中ATP的異常波動。

圖3

在非生物脅迫下，如受傷，ATP從植物細胞中釋放出來，并通過轉(zhuǎn)運蛋白、胞吐作用和受傷的細胞質(zhì)膜導致細胞外基質(zhì)中eATP濃度增加（圖4a）。eATP是觸發(fā)植物中隨后反應的信號分子。因此，監(jiān)測eATP是感知植物生理狀況的有效方法。作者檢測了菠菜創(chuàng)傷產(chǎn)生的eATP（圖4 b）。在使用微針陣列施加創(chuàng)傷應激后，NIR-II強度迅速降低，而在沒有創(chuàng)傷的情況下，用IR-1061膠束@ ZIF-90納米探針包埋的植物葉的對照側(cè)表現(xiàn)出可忽略的信號響應（圖4 b和c）。這種明顯的信號差異可能來源于植物在創(chuàng)傷脅迫下細胞外基質(zhì)中eATP的增加。將ATP清除劑（腺苷三磷酸酶，ATP酶）引入植物葉中以進一步證實上述eATP誘導的信號（圖4d）。與沒有ATP酶處理的對照樣品相比，ATP酶的應用顯著降低了NIR熒光強度變化（圖4 e），這是由于ATP酶對由于創(chuàng)傷應激而釋放的eATP的分解。此外，由于IR-1061膠束@ZIF-90納米探針在復雜植物基質(zhì)中的穩(wěn)定性質(zhì)，納米探針能夠重復監(jiān)測創(chuàng)傷信號。當葉片的相同部位重復受傷時，納米探針在每次受傷處理后顯示出連續(xù)且相似的特征性反應（圖4f），表明納米探針用于實時監(jiān)測活植物中的eATP信息的可能性。

圖4

參考文獻

Qiu Q, Sun S, Yuan H, et al. Second near-infrared fluorescent Metal-Organic framework sensors for in vivo extracellular adenosine triphosphate monitoring.Biosens Bioelectron. Published online February 7, 2024. doi:10.1016/j.bios.2024.116114

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近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

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