东北大学陈旭伟组和辽宁大学毛全兴组揭示了碳点的表面化学特性与靶向细胞器之间的对应关系

编辑 | 熊 凤

细胞是生物有机体的重要组成部分，细胞中细胞器的损坏和功能障碍可以导致严重的疾病，如线粒体膜上的微小改变可以诱发心脏病等。一般而言，细胞器的损伤通常伴随着它的形貌和功能的改变。因此监测细胞器的变化对疾病的诊疗有着重要的意义。

目前，常用的荧光监测探针主要包括有机染料、荧光蛋白和光致发光纳米材料。碳点由于优异的光稳定性和易于表面官能团修饰的特性已经成功实现了对细胞器的靶向作用，如氨基功能化的碳点靶向溶酶体，三苯基鏻功能化的CDs可靶向线粒体，月桂胺修饰的CDs可靶向内质网；然而碳点的表面化学特性与不同细胞器靶向能力之间的关系和差异尚需深入研究。

2021年9月9日，东北大学陈旭伟教授和辽宁大学毛全兴教授团队在ACS Nano在线发表了“Tunable Organelle Imaging by Rational Design of Carbon Dots and Utilization of Uptake Pathways”的研究论文。该团队采用邻苯二胺和赖氨酸为前驱体，设计得到了四种具有不同表面官能团的碳点；通过探究碳点进入细胞的方式和不同细胞器之间的特异靶向性，归纳诠释了碳点的表面化学特性与靶向细胞器之间的对应关系。

作者通过一步水热法制备了具有不同表面基团和亲脂性的四种碳点ECDs、NCDs、GCDs和LCDs。ECDs表面具有丰富的CH3官能团，且亲脂性最高；NCDs表面具有C-O-C基团，亲脂性略低；GCDs表面具有CH3、NH2和C-O-C基团，亲脂性低且带正电荷；而LCDs表面具有CH3、NH2和COOH官能团，具有较好的亲水性。研究中确定了碳点进入细胞后对细胞器的靶向能力。ECDs、NCDs、GCDs和LCDs分别靶向于内质网、细胞核、高尔基体和溶酶体，靶向准确性高，可获得高质量的细胞器3D图像（图1）。

图1 LoVo 细胞与四种CDs的荧光图像，以及CDs和细胞核探针孵育的LoVo细胞的3D图像。

作者探究了不同碳点靶向特定细胞器成像的机制。ECDs和NCDs尺寸较小并具有较高亲脂性，容易与脂性细胞膜相互作用，均通过被动扩散的方式进入细胞；二者细胞器靶向性的差异与它们表面的官能团有关。CH₃基团使ECDs定位到内质网的原因可能是内质网是脂质合成场所，具有疏水性膜系统；而NCDs的C-O-C基团与DNA的疏水区域存在相互作用，可以特异性结合细胞核中的DNA。由于尺寸较大，GCDs和LCDs依赖内吞机制进入细胞。NH2基团的亲电性、CH3基团的亲脂性和C-O-C的两亲性使GCDs通过小窝蛋白介导的内吞作用靶向高尔基体，而具有弱亲脂性CH3基团和NH2基团、COOH两性离子基团的高亲水性LCDs则借助网状蛋白介导的内吞作用定位于溶酶体（图2）。

图2 细胞摄取CDs的过程

研究中采用斑马鱼为模型展示了CDs的活体适用性。ECDs、NCDs、GCDs和LCDs分别聚集在斑马鱼的全身、肠道、卵黄、肠道中（图3），表明所制备的CDs能够成功地穿过斑马鱼的粘液层与细胞相互作用，可用于活细胞和活体荧光显微成像。

图3 斑马鱼经过ECDs、NCDs、GCDs、LCDs染色的荧光图像

东北大学博士生鄂爽为该论文第一作者，东北大学陈旭伟教授和辽宁大学毛全兴教授为论文通讯作者。该项目获得国家自然科学基金（21804062）、国家重大科研仪器研制项目（21727811）以及中央高校基础科研项目（N2005027）资助。据悉，该研究所用斑马鱼为来自国家水生生物种质资源库国家斑马鱼资源中心所提供的标准野生型品系。