唐本忠院士团队:用AIE分子打造细胞“照妖镜”,可区分细胞系、评估细胞污染和鉴别癌细胞

正如化学分子的地位一样,细胞对生物学家、微生物学家、医学科学家、医生等具有最基本和不可替代的作用。细胞是世界上所有生物中最小但必不可少的结构和功能单位。同时,作为陆地生命的起源,细胞水平的研究有助于了解生命进化和应对各种疾病。为了保持所有研究结果的可靠性和重复性,必须保持每个细胞系的纯度和真实性。但可悲的事实是,自20世纪60年代以来,全球已有400多个使用过的细胞系被误认。另外,对聚集在正常细胞中的癌细胞的鉴定和分类也更为迫切。因此,设计更多的策略、材料和系统用于细胞系鉴定、受污染细胞评估和癌细胞鉴别是一项紧迫的任务。

最近,唐本忠院士团队在《ACS Nano》上发表了题为“Multifunctional Supramolecular Assemblies with Aggregation-Induced Emission (AIE) for Cell Line Identification, Cell Contamination Evaluation, and Cancer Cell Discrimination”的文章,利用了四苯基乙基(TPE)衍生物与葫芦[8]脲 (CB[8])的主-客体相互作用,构建了三种超分子AIE(聚集诱导发射)纳米组装体。TPE衍生物与CB[8]组装后获得了更强的荧光发射和更高的荧光量子产率。此外,所构建的超分子AIE复合物获得了良好的纳米结构,并表现出不同的尺寸和形状。相应地,它们产生了细胞特有的生物特性和荧光增强。受到大数据分析概念的启发,这些荧光信号通过线性判别分析进一步转化为细胞独特的指纹。在定性分析中,可以正确鉴别一个正常的细胞系、两个癌细胞系和两个转移的癌细胞系。更重要的是,它被很好地用于监测交叉污染细胞的评价和癌细胞的鉴别。作为理想的超分子纳米材料的生物应用,该系统易于学习和应用,整个过程保持在20分钟,没有细胞破坏、离心、洗涤步骤。

唐本忠院士团队:用AIE分子打造细胞“照妖镜”,可区分细胞系、评估细胞污染和鉴别癌细胞

图文导读

1. 超分子AIE配合物的性能与形貌

为了建立主客体识别,选择了三种具有不同吡啶基团的水溶性AIE发光体作为客体分子,而葫芦[8]脲(CB[8])作为宿主(图1B)。用1H NMR谱证实了这三种含CB[8]的AIE超分子配合物的自组装行为。

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图1 (A) 用于细胞系鉴定、细胞污染评估和癌细胞鉴别的多功能超分子AIE组件的过程示意图。(B) 超分子AIE配合物TPE-2EP@CB[8]、 TPE-3EP@CB[8]和TPE-4EP@CB[8]形成示意图。
然后,采用紫外可见吸收分光光度计和荧光计研究了AIE超分子配合物的光物理性质。与CB[8]结合后,各AIE化合物的吸收显著降低,其最大吸收峰有不同程度的红移。由于CB[8]主腔的静电势很大,AIE分子与CB[8]组装后的电子云分布受到影响。另外,由于AIE的分子内运动受限(RIM),可以降低能量消耗,因此CB[8]的自组装行为可进一步增加其荧光强度。

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图2 TPE-2EP、TPE-3EP和TPE-4EP与CB组装前后在超纯水中的紫外/可见吸收光谱(A)和荧光光谱(B)。

 

利用扫描电镜(SEM)和低温透射电镜(cryo TEM)对AIE超分子组装体的形貌进行了表征。疏水的TPE核能聚集在一起,CB[8]尾能将吡啶固定在规则的排列。正是这种分子排列导致了不同的外观(大小和形状)。此外,这也会影响其细胞、生物过程和功能的相互作用能力。而且,三种AIE超分子组装体在生物应用体系中均能保持其形态特征。

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图3 TPE-2EP@CB[8]、TPE-3EP@CB[8]和TPE-4EP@CB[8]的显微照片。

2. AIE超分子配合物的生物应用

用TPE-2EP@CB[8]、TPE-3EP@CB[8]和TPE-4EP@CB[8]对SV-HUC-1细胞(正常)和T24细胞(癌)分别进行染色。三种AIE超分子组装物均能对细胞进行染色,TPE-2EP@CB[8]效果最好,可以同时染色细胞膜和细胞内。

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图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细胞(正常)和T24细胞(癌)在37°C(A)和4°C(B)下的共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)照片。

他们还进行了统计分析。同一细胞系上的荧光强度在与不同种类的组件孵育后的增长率是不同的。细胞经TPE-2EP@CB[8]处理的荧光增强最强。这说明三个AIE超分子组装体对同一细胞系具有不同的亲和力,由于它们独特的外观。此外,同一种组装体与不同的细胞株孵育时,其荧光响应也不同。在相同的方案下,T24细胞比SV-HUC-1细胞有更明显的荧光增量。AIE超分子组装体对不同的细胞系具有不同的亲和力。这种生物学特性为构建荧光指纹图谱实现细胞分类奠定了基础。

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图5 用30 μM TPE-2EP@CB[8]、TPE-3EP@CB[8]和TPE-4EP@CB[8]染色的SV-HUC-1细胞(正常,A)和T24细胞(癌,B)的统计分析,分别在不同时间点用流式细胞仪检测。

探讨了AIE超分子组装体用于细胞系鉴定的可行性。选择SV-HUC-1细胞、T24细胞、UMUC3细胞、DU145细胞和HeLa细胞构建实验模型。其中SV-HUC-1细胞为正常细胞系,T24细胞和UMUC3细胞为相关但不同的癌细胞系,DU145细胞为男性组的转移癌细胞系,HeLa细胞为女性组的转移癌细胞系。三个AIE超分子组装物在加入上述细胞后呈现特定的荧光强度变化。采用三种组合的三个通道构建细胞识别指纹,可以将所有细胞系完全分离。

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图6 (A) TPE-2EP@CB[8] 在与受试细胞样品孵育20分钟后的荧光强度变化率直方图。(B和C)用线性判别分析(LDA)荧光响应对5株正常和癌细胞系进行聚类。

他们还实现了交叉污染细胞的鉴定。将HeLa细胞以不同比例混入T24细胞。超分子AIE组装体与所有这些交叉污染细胞孵育后,其荧光强度增加率形成其独特的图案特征。采用了三通道策略,所有交叉污染的样本都很好地聚集成协调组,并且彼此完全区别开来。

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图7 (A) TPE-3EP@CB[8]与测试样本细胞孵化后20分钟的荧光强度变化比率直方图。(B和C) T24细胞含有不同数量的HeLa细胞,用LDA分析其荧光响应进行聚类。

他们对癌细胞与正常细胞的鉴别也进行了研究。将正常的SV-HUC-1细胞与其癌T24细胞进行不同数量的混合。同样采用三通道策略实现了癌细胞的识别。

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图8 (A) TPE-4EP@CB[8] 在与受试细胞样品孵育20分钟后的荧光强度变化率直方图。(B和C)用LDA分析荧光响应对含有不同数量癌细胞的正性细胞进行聚类。

亮点小结

总之,通过主客体超分子化学,设计了三种具有良好纳米结构的超分子AIE组装体,以获得更强的荧光发射和更高的荧光量子产率。利用不同的组装行为,它们在与测试细胞孵育后呈现特定的荧光响应。通过LDA进一步将这些荧光信号转换成二维标准分数图,迅速构建了具有很强分辨力的指纹图谱,实现了对正常细胞系、不同癌细胞系和不同转移癌细胞系的定性鉴别。AIE超分子组装体在基础研究和临床治疗中有着广阔的应用前景。

全文链接:

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

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