新型碳量子点荧光探针或将问世 细胞钙离子检测迎利好

2019年11月28日 13:47:19 来源: 中科院之声
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  钙离子调节多种重要的细胞功能

  钙是维持生物体生命活动的必需元素之一,在骨骼生长、肌肉活动、酸碱平衡、神经活动中起着不可替代的作用。

  正常状态下,一位健康成年人体内平均钙含量为1500g,大约占其体重的1.5-2%。绝大部分人体钙存在于骨骼和牙齿中,剩下的部分存在于软组织和体液中。作为通用的第二信使,钙离子调节多种重要的细胞功能,如分化、增殖、生长和基因转录等。

  近期研究表明,癌细胞中的钙离子状态与肿瘤的发生、转移以及血管生成均有关,肿瘤微环境中钙信号的传导可以促进某些癌症疗法的治疗效果。因此,检测钙离子浓度,特别是检测细胞内的钙离子浓度具有重要的意义。

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细胞内钙离子(图片来源于网络)

  钙离子荧光探针:检测钙离子的浓度及分布

  钙离子荧光探针是目前发展最为迅速的一类钙离子检测方法,用以检测细胞或组织内钙离子的浓度及分布。

  钙离子荧光探针法主要包括人工合成小分子荧光指示剂和发光蛋白两种。传统的小分子钙离子荧光探针主要有Indo-1、Quin-2、Rhod-2、Fura-2、Fluo-3、 Fura Red和Calcium Orange等,其中,由Tsien等人合成的Fura-2和Fluo-3是目前国际上应用最广泛的测定细胞内游离钙离子的荧光指示剂。发光蛋白主要指从多管水母中分离出来的水母发光蛋白。该发光蛋白对生物体内的钙离子浓度变化很敏感,且对细胞无毒,不会干扰细胞的正常生理活动。但该蛋白也存在不足之处,如在高钙离子浓度下会失效以及本身的荧光强度较弱等。

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常见小分子钙离子探针Fura-2和Fluo-3

  碳量子点荧光探针:新兴荧光纳米材料

  碳量子点自2004年被发现以来,由于其独特的优点,如低成本、制备方法简便、良好的生物相容性等,已经展现了在许多领域的应用前景,包括光电能源类器件、信息加密与防伪、生物成像与医疗、传感检测等。

  特别是,由于碳量子点的低毒性、发光种类的多样性、高的光稳定性等特点,其正逐步替代传统的金属/半导体量子点,成为备受瞩目的新兴荧光纳米材料。

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不同荧光发射波长的碳量子点(图片来自文献Xiang Miao,Dan Qu,Dongxue Yang,Bing Nie,Yikang Zhao,Hongyou Fan,Zaicheng Sun, Synthesis of Carbon Dots with Multiple Color Emission by Controlled Graphitization and Surface Functionalization. 2018, 30 (1), 1704740)

  一种新型的活细胞内钙离子检测荧光探针

  近日,中科院苏州医工所董文飞团队开发了一种新型的荧光碳量子点,能有效检测细胞中的钙离子水平。

  经过多次尝试及对反应条件的控制,课题组提出了一种二次水热合成法制备功能性碳量子点:在一步水热得到的蓝光碳量子点基础上,引入钙离子螯合剂EGTA,通过二次水热,直接得到了表面被EGTA修饰的碳点。

  在该方法中,所有的反应均在同一个高压反应釜中进行,且产物无需二次纯化和分离,相比传统的EDC/NHS偶连法,该方法具有操作简单、环境更加友好等优点。

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碳点对钙离子的检测示意图(图片来自文献Juan Yue,Li Li,Lei Cao,Minghui Zan,Dian Yang,Zheng Wang,Zhimin Chang,Qian Mei,Peng Miao,Wen-Fei Dong,Two-Step Hydrothermal Preparation of Carbon Dots for Calcium Ion Detection,ACS Applied Materials & Interfaces,2019)

  实验证实,该碳量子点本身具有明亮的蓝色荧光,随着钙浓度的增加,荧光强度急剧下降。该碳量子点对钙离子的检测是一种静态的荧光猝灭过程,荧光猝灭与钙离子的浓度正相关,在15至300μM的范围内具有良好的线性,检出限为0.38μM。

  同时,细胞毒性测试和细胞成像实验表明,该碳量子点无毒且具有良好的生物相容性。因此,该碳量子点有望成为一种新型的活细胞内钙离子检测荧光探针。

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HeLa细胞的共聚焦显微镜图像,在钙离子存在时,细胞中碳点的荧光明显减弱(图片来自文献Juan Yue,Li Li,Lei Cao,Minghui Zan,Dian Yang,Zheng Wang,Zhimin Chang,Qian Mei,Peng Miao,Wen-Fei Dong,Two-Step Hydrothermal Preparation of Carbon Dots for Calcium Ion Detection,ACS Applied Materials & Interfaces,2019)


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