JP研究最新进展

JP研究最新进展17: Nat. Comm. |合成细胞内发磷光的金银纳米团簇

2022年8月10日,东京工业大学塩谷 光彦(Mitsuhiko Shionoya)教授课题组在专业杂志Nature Communications上在线发表了题为 「N-Heterocyclic carbene-based C-centered Au(I)-Ag(I) clusters with intense phosphorescence and organelle-selective translocation in cells」的科技论文,该研究设计了一种含氮杂环卡宾 (NHC) 配体的碳中心金银纳米团簇分子,该分子可与活细胞兼容并实现细胞体内的磷光发光效果。

https://www.nature.com/articles/s41467-022-31891-3.pdf

01研究亮点

  1. 发现具有含氮杂环卡宾 (NHC) 配体的碳中心金银 (CAuI6AgI2) 簇在活细胞中发出强磷光,并以结构特异性方式运输。
  2. 碳中心金(CAuI6)簇配体的精确设计和银离子的添加​​使得提高磷光发射效率和调节波长成为可能,从而控制细胞的摄取途径和细胞器的定位。
  3. 该研究表明,由核壳配体和金属离子组成的多核金属离子簇可以极大地促进光生物分析并为强磷光分子基团的发展做出贡献。

02研究概要

【背景】

亚纳米至纳米级金属团簇是纳米技术领域的重要研究对象,利用发光和催化功能的团簇的开发一直受到大力推动。金纳米团簇的空间结构、电子状态和反应性受到保护簇部分的配体和添加到金纳米团簇中的金属的影响,因此精确设计配体非常重要。在这项研究中,研究小组重新设计并合成了一个以碳原子为中心元素的六核金簇,它由该研究组最初开发的含氮杂环卡宾(NHC) 配体保护。该金簇的效率并将其应用于光学生物分析。

果与讨论

该小组设计了以碳为中心的金银 (CAuI6AgI2) 簇,其配体可以与两种金属结合,以稳定结构并控制簇的电子结构(图1)。具体地说,设计了一个在 NHC 配体的氮上具有 2-吡啶基的配体,并将 2 当量的银添加到由配体前体通过三个步骤合成的金簇中。产生碳中心金银(CAuI6AgI2) 簇。通过单晶X射线结构分析确定了该簇分子的结构,并且证实即使在溶液中也可以稳定地保持相同的结构。最受关注的使用苯并咪唑啉型配体的金/银簇在固/液态中约其560 nm范围显示出黄色光致发光,其发射量子产率最高可达88%。此外,在有机溶剂中的发射寿命超过1微秒,表明发射机制是磷光。与使用膦配体而非NHC配体的金银簇相比,尽管发射寿命相当但使用NHC配体的金银簇的发射量子产率明显更高。理论计算表明,这种高发射量子产率是由于使用的 NHC配体加速了磷光发射过程,证明了NHC配体的有用性。

使用 NHC 配体的金银簇不仅在固态而且在溶液中都显示出具有高发射量子产率的磷光发射。因此,研究小组探究了这种金银簇在细胞成像中的应用。在检查细胞转导条件后,通过在DMSO/PBS溶液中孵育10分钟,成功地转染到各种培养的细胞中,例如HeLa、HEK293和COS7细胞。结合到细胞中的金银簇保留了它们的发光,并且它们的细胞内定位可以通过用405 nm激光激发并在共聚焦显微镜下检测500-550 nm的发光来可视化。当细胞器用市售染色试剂标记时,很明显,被细胞吸收的金银纳米团簇选择性地聚集在内质网中。此外,为了详细分析细胞内摄取途径,研究小组尝试将金银纳米团簇与抑制剂一起引入细胞,发现细胞内摄取受到染料木黄酮处理的抑制。这表明具有 NHC 配体的金银纳米簇被内吞途径吸收。本实验结果表明,使用本研究新设计的NHC配体的金银簇可能能够自由控制细胞内摄取途径和待积累的细胞器。

在使用荧光标记的细胞成像中,存在来自细胞中原本存在的荧光物质的信号可能被检测为背景荧光的风险。另一方面,本次开发的金银纳米团簇测量磷光,其发射寿命比荧光长,因此认为可以抑制背景荧光进行成像。此外,当用磷光寿命显微镜观察引入金银纳米团簇的细胞时,掺入细胞中的金银纳米团簇具有100-200 ns的相对较长的发光寿命,能够在抑制自发荧光信号的情况下进行成像。

 

研究意义及未来展望

如上所述,在这项研究中,研究小组成功地使用NHC配体合成了金银纳米团簇,利用它们的磷光发射进行细胞成像,并允许我们控制摄取途径和细胞器在细胞中积累。该成果有望开辟多元素金属纳米团簇的化学,为光学生物分析提供一组新的物质和基础技术

本研究由东京大学,东京工业大学,分子科学研究所共同合作完成;第一作者为Zhen Lei 助理教授,通讯作者为Masahiro Ehara教授,Takeaki Ozawa教授和Mitsuhiko Shionoya教授。本文受日本文部省的研費经费支持。

03作者介绍

塩谷 光彦Mitsuhiko Shionoya博士东京大学物化学系教授;Shionoya教授致力于超分子化学的基研究,金属配体材料设计研究域的著名学者;曾获2007年井上学术奖,2007年日本化学会学术奖,2016年文部科学大臣表彰科学技术奖和2020年日本化学会奖等重大奖项; JACSAngew. Chem., Nature系列等国知名科学表研究型260余篇。其研究成果被引用10000ResearchGate

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