纳米探针用于定量检测活细胞内飞克量级的亚砷酸根离子

　　近年来，药物砷剂（亚砷酸钠）用于急性早幼粒细胞白血病的治疗获得了显著的临床效果。进一步的研究显示，除血液肿瘤外，砷剂对多种实体瘤也有诱导凋亡的作用。目前至少有三种不同的砷抑癌的分子机理，且各机理研究均是基于细胞分子生物学方法，研究砷诱导的下游分子路径。目前，并没有基于活细胞检测技术提供的药物砷在细胞内的分布和含量的研究来支持砷抑癌的分子生物学机理。高能所纳米生物效应与安全性实验室的课题组利用构建的荧光纳米探针对于活细胞内药物砷离子进行了原位实时高灵敏度地检测，研究结果发表在2011年6月2日的《ACS Nano》上。

　　该课题组设计构建了用于定量检测活细胞内亚砷酸根离子的荧光探针--单链核酸缠绕的单壁碳纳米管。利用北京同步辐射装置4B8-真空紫外实验站的圆二色谱方法和原子力显微镜技术研究了药物砷离子和探针相互作用的原理：连接有荧光基团的单链核酸通过π-π键作用缠绕在单壁碳纳米管上。当把药物砷离子引入到探针体系中时，砷会与单链核酸的G和T碱基紧密地结合，导致核酸缠绕在碳管上的程度变松。这时，沿着碳管轴向的静电作用力会将DNA拉伸，使DNA的螺距变大。这种拉伸作用使一部分DNA有脱离碳管表面的趋势。从碳管上脱落下来的DNA在溶液中发生聚集，从而导致DNA构象发生变化，使荧光基团与碱基和砷离子发生接触，进而导致荧光的淬灭。

　　图1 核酸-碳纳米管荧光探针工作机理

　　研究采用生物电镜和激光共聚焦荧光显微镜共同进行进行分析，明确了亚砷酸根离子在细胞溶酶体内的分布。在活细胞内，利用激光共聚焦显微高时空分辨技术，通过探针的荧光变化检测砷离子含量的动态变化。激光共聚焦显微镜可以实时地观察记录细胞内探针荧光的信息，并通过软件分析荧光强度的变化，结合生物质谱测算砷离子浓度。最终获得：在溶酶体内，探针的相对荧光强度与砷浓度成很好的线性关系，即随着砷浓度的增加，探针荧光强度逐渐减弱，且检测到的砷浓度在飞克/细胞的数量级。

　　该研究首次提出了在活细胞内高时空定量外源金属离子的方法，实现了活细胞内对于药物砷离子的原位、实时、高灵敏度的检测。并且对于砷离子的亚细胞器定位有助于生物学者更好地明确砷剂导致细胞凋亡的分子途径。

　　发表文章：

　　Ru Liu, Zhong Chen, Yaling Wang, Yanyan Cui, Huarui Zhu, Ping Huang, Wei Li, Yuliang Zhao*, Ye Tao, and Xueyun Gao*,Nanoprobes: Quantitatively Detecting the Femtogram Level of Arsenite Ions in Live Cells, ACS Nano, 2011, 5, 5560–5565.