修景銳，胡思怡，李金華*，任 升，劉麗煒

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.深圳大學(xué) 光電工程學(xué)院，廣東 深圳 518060)

1 引 言

熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)是一種通過熒光物質(zhì)間發(fā)生非輻射能量轉(zhuǎn)移進(jìn)行分析的光譜分析法[1-2]。自該理論提出以來，F(xiàn)RET已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、司法鑒定和科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域中[3-8]。

近年來，F(xiàn)RET技術(shù)在空間分辨率、敏感性方面有很大的提高，根據(jù)FRET設(shè)計(jì)的傳感器在生物學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如檢測(cè)生物大分子的構(gòu)象變化、生物大分子之間的相互作用、生物分子間納米尺度的距離等[9-12]。研究表明能量供受體的光學(xué)性質(zhì)及傳感器的組裝方法對(duì)FRET傳感器的檢測(cè)性能有至關(guān)重要的影響[13]，然而傳統(tǒng)的能量供受體(如有機(jī)熒光染料、生物材料、鑭系元素等)由于熒光強(qiáng)度低、光穩(wěn)定性弱、對(duì)環(huán)境敏感、生物相容性較差，并且毒性較大，容易受到生物體內(nèi)自發(fā)熒光和雜散光干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)熒光強(qiáng)度下降、生物檢測(cè)達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)等缺點(diǎn)，從而限制了FRET傳感器的發(fā)展與應(yīng)用[14-19]。

目前，南京工業(yè)大學(xué)課題組[20]將近紅外FRET體系應(yīng)用于光動(dòng)力治療方面進(jìn)行研究，一定程度上改善了可見FRET體系的缺點(diǎn)，達(dá)到了更好的治療效果，但目前近紅外FRET體系作為敏感型探針的研究依然比較缺乏。

本文構(gòu)建了近紅外區(qū)域的FRET體系，供體為熒光發(fā)射峰在近紅外的InP/ZnS量子點(diǎn)，受體為吸收在近紅外的熒光染料Cy7(C45H44K3N3O16S4)。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)可見光量子點(diǎn)在生物應(yīng)用中的缺陷。同時(shí)對(duì)該體系進(jìn)行濃度和細(xì)胞微環(huán)境pH敏感性檢測(cè)，結(jié)果表明FRET體系的熒光強(qiáng)度可直接反映細(xì)胞微環(huán)境的酸堿度變化，對(duì)體系pH值有較高的檢測(cè)精度，本研究為FRET體系作為敏感型探針應(yīng)用于癌癥早期診斷提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)試劑：醋酸銦(In(Ac)3)，硬脂酸鋅(Zn(St)2)，十二烷基硫醇(DDT)，購(gòu)于Alfa公司；肉豆蔻酸(MA)，購(gòu)于TCI公司；1-十八烯(ODE)，購(gòu)自Sigma公司；二硫代蘇糖醇(DTT)，磷化鋅(Zn3P2)購(gòu)買于國(guó)藥上海試劑公司。氫氧化鈉，鹽酸以上藥品均購(gòu)于國(guó)藥試劑。熒光染料Cy7(C45H44K3N3O16S4)，購(gòu)于武漢斯奈德生命科技有限責(zé)任公司。實(shí)驗(yàn)所用溶劑如不作特殊說明均用超純水(HPLC),購(gòu)于Alfa公司。DMEM高糖培養(yǎng)液，其中含有10%的胎牛血清(FBS，Hyclone公司)，100 μg/mL的盤尼西林和100 μg/mL的鏈霉素，均購(gòu)于Gibco公司。

實(shí)驗(yàn)儀器：高精度電子天平(Sartorius，Quintix224-1cn)，磁力攪拌器加熱臺(tái)(Thermo Scientific，Cimarec)，超聲清洗器，恒溫水浴箱，移液器，紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)(Agilent，Cary 5000 UV-Vis-NIR)，熒光分光光度計(jì)(Agilent，Cary Eclipse)，透射電子顯微鏡， FLS980超快熒光壽命光譜儀，熒光倒置顯微鏡(DMI3000，Leica，德國(guó))。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

量子點(diǎn)的制備：將0.2 mmol的醋酸銦，0.6 mmol的肉豆蔻酸和15 mL 1-十八烯在氮?dú)獗Ｗo(hù)下保持110 ℃加熱1 h，獲得In前驅(qū)液。將3 mL鹽酸(4 M)注入磷化鋅，生成的磷化氫氣體通入到加熱至240 ℃的In前驅(qū)液中，獲得InP量子點(diǎn)。將0.6 mmol硬脂酸鋅溶解于2 mL 1-十八烯中并加熱至120 ℃后，將其注入InP量子點(diǎn)溶液中，形成InP/ZnS復(fù)合物，最后，將加熱至260 ℃的十二烷基硫醇(0.6 mmol)加入InP/ZnS復(fù)合物，反應(yīng)1 h后獲得InP/ZnS量子點(diǎn)。

上一步驟中制備了油性的InP/ZnS量子點(diǎn)，我們接下來對(duì)油性量子點(diǎn)進(jìn)行了表面修飾，以便其更好的生物應(yīng)用，具體修飾方法如下：將1 mL甲醇，1 mL氯仿，4 mL MPA和油性量子點(diǎn)混合攪拌5 min，向攪拌后的混合溶液中加入3%的NH4OH，繼續(xù)攪拌5 h，獲得水溶性InP/ZnS量子點(diǎn)。

FRET體系的構(gòu)建:將InP/ZnS量子點(diǎn)溶液和Cy7熒光染料摩爾比例1∶0、1∶0.01、1∶0.02、1∶0.03、1∶0.04和1∶0.05混合加入反應(yīng)樣品瓶中，在常溫、常壓條件下攪拌5 min，對(duì)混合溶液進(jìn)行測(cè)定。

熒光光譜測(cè)定：在室溫條件下，依次取1 mL的量子點(diǎn)與染料構(gòu)建FRET體系溶液，以600 nm為激發(fā)波長(zhǎng)，激發(fā)和發(fā)射狹縫為5 nm，記錄620 nm到850 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的發(fā)射光譜變化。

傅里葉紅外光譜測(cè)定：50 ℃下將InP/ZnS量子點(diǎn)，Cy7熒光染料和FRET體系烘干成粉末狀備用。分別將3種待測(cè)樣品與溴化鉀粉末以1∶10的比例混合后充分研磨，將混合后的粉末進(jìn)行壓片處理，獲得待測(cè)樣品。

MCF-7乳腺癌細(xì)胞熒光成像：用于熒光成像的MCF-7乳腺癌細(xì)胞在使用前要分種在6孔培養(yǎng)板中。實(shí)驗(yàn)前的細(xì)胞需培養(yǎng)24 h，密度在60%～70%即可。用于熒光成像的FRET體系樣品按照10～20 μg/mL的濃度溶于PBS中(pH=7.2)。向六孔板的每個(gè)孔中加入20～40 μL的樣品，輕輕搖勻后，在37 ℃，5%CO2環(huán)境下培養(yǎng)4 h后，移去培養(yǎng)液，用PBS清洗3遍，在熒光倒置顯微鏡下觀察細(xì)胞形態(tài)并進(jìn)行熒光成像研究。

3 結(jié)果與討論

3.1 InP/ZnS量子點(diǎn)-Cy7熒光染料FRET體系的構(gòu)建

由圖1可知，InP/ZnS量子點(diǎn)的發(fā)射光譜與Cy7染料的吸收光譜有較大的重疊面積，圖中的陰影部分為重疊部分。而InP/ZnS量子點(diǎn)的發(fā)射光譜與染料的發(fā)射光譜相距較遠(yuǎn)，最大發(fā)射峰值相差60 nm，有效避免了供受體之間的熒光干擾。所以InP/ZnS量子點(diǎn)和Cy7熒光染料符合構(gòu)建FRET體系的基本條件[21-22]，其中InP/ZnS量子點(diǎn)和Cy7染料分別作為FRET體系的供體和受體。

圖1 InP/ZnS量子點(diǎn)和Cy7熒光染料的吸收和發(fā)射光譜對(duì)比圖 Fig.1 Comparison of absorption and emission spectra of InP/ZnS quantum dots and Cy7 fluorescent dyes

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，供體InP/ZnS量子點(diǎn)表面游離的羧基(—COOH)能與受體染料Cy7表面游離的氨基(—NH2)通過化學(xué)鍵和的方式相連接，以拉近供受體之間的距離。為了驗(yàn)證該結(jié)論，我們利用傅里葉紅外光譜測(cè)試(FTIR)對(duì)InP/ZnS量子點(diǎn)與染料Cy7之間化學(xué)鍵合的情況進(jìn)行驗(yàn)證。在圖2中，InP/ZnS量子點(diǎn)溶液在1 650 cm-1(COO—)處有振動(dòng)峰的存在，Cy7染料在3 438 cm-1(NH2)處有振動(dòng)峰存在。供體InP/ZnS量子點(diǎn)與受體Cy7染料的結(jié)合是通過Cy7上的—NH2和量子點(diǎn)表面的—COOH(來自于量子點(diǎn)的表面修飾劑MPA)，脫水縮合形成的肽鍵(—CO—NH—)。圖2中曲線1代表了InP/ZnS量子點(diǎn)和Cy7染料構(gòu)建的FRET體系，InP/ZnS-Cy7染料在1 576 cm-1(—CO—NH—)處的振動(dòng)峰存在，確定了兩種樣品成功結(jié)合，這個(gè)1 576 cm-1的振動(dòng)峰在InP/ZnS量子點(diǎn)和Cy7單獨(dú)的紅外光譜中均不存在。而且，伴隨著1 576 cm-1(—CO—NH—)的出現(xiàn)InP/ZnS量子點(diǎn)上的1 650 cm-1(COO—)振動(dòng)峰明顯減弱，這進(jìn)一步確認(rèn)了InP/ZnS量子點(diǎn)與Cy7染料之間的化學(xué)鍵合過程的成功實(shí)現(xiàn)。

圖2 InP/ZnS量子點(diǎn)，Cy7，F(xiàn)RET體系的FTIR光譜 Fig.2 FTIR spectra of InP/ZnS quantum dots, Cy7 fluorescent dyes and FRET system

3.2 InP/ZnS量子點(diǎn)和Cy7染料濃度對(duì)FRET體系的影響

不同濃度的InP/ZnS量子點(diǎn)與Cy7染料構(gòu)建FRET體系。如圖3(a)所示，當(dāng)Cy7染料濃度不變時(shí)，隨著量子點(diǎn)濃度的增加(0.1～0.5 μmol/L)，Cy7染料的熒光強(qiáng)度會(huì)明顯增強(qiáng)，可以看出量子點(diǎn)與染料之間發(fā)生了熒光共振能量轉(zhuǎn)移。隨著供體InP/ZnS量子點(diǎn)濃度的增加，F(xiàn)RET體系的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率逐漸減小，如圖3(b)所示，這是因?yàn)殡S著供體分子數(shù)量的增多，圍繞在單個(gè)供體附近的受體分子平均數(shù)目減少，體系的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率減少。本論文轉(zhuǎn)移效率是基于熒光強(qiáng)度計(jì)算的，Styrer和Haugland 給出[23]，同理，保持量子點(diǎn)濃度不變，改變Cy7染料的濃度，獲得FRET體系的變化情況如圖4所示。從圖4(a)中可以看出，隨著Cy7染料濃度的增加，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨之減小。通過公式(1)，計(jì)算得到了改變Cy7染料后的熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率，如圖4(b)所示。從圖4(b)中可以看出，隨著受體濃度的增加，F(xiàn)RET體系能量轉(zhuǎn)移效率逐漸增大，但當(dāng)QDs:Cy7小于1:250后，熒光共振能量轉(zhuǎn)移效率達(dá)到最大，因?yàn)楫?dāng)Cy7染料濃度增加到一定程度時(shí)，量子點(diǎn)周圍圍繞的受體染料分子供數(shù)目達(dá)到飽和。

(1)

式中，ID-A、ID分別代表有受體和無受體時(shí)供體的熒光強(qiáng)度。這樣，通過測(cè)量供體的熒光強(qiáng)度可以計(jì)算出熒光共振能量轉(zhuǎn)移的效率E。

圖3 改變InP/ZnS量子點(diǎn)濃度時(shí)的FRET體系(a)熒光光譜圖(b)相應(yīng)的FRET轉(zhuǎn)換效率 Fig.3 FRET system when the InP / ZnS quantum dot concentration is changed. (a)Fluorescence spectra (b)FRET conversion efficiency

圖4 改變Cy7濃度時(shí)的FRET體系(a)熒光光譜圖(b)相應(yīng)的FRET轉(zhuǎn)換效率 Fig.4 FRET system when the Cy7 concentration is changed. (a)Fluorescence spectra (b)FRET conversion efficiency

3.3 pH值對(duì)FRET體系的影響

如圖5所示，將Cy7染料和InP/ZnS量子點(diǎn)分別溶在pH值為4、7、10、12的去離子水中進(jìn)行熒光光譜的測(cè)試。從圖5(a)中可以看出，隨著溶液pH值從4升至12，溶液中染料的熒光強(qiáng)度沒有明顯的改變，可以說明染料本身對(duì)pH值不敏感。但從圖5(b)可以明顯看出，隨著溶液pH值的改變，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度有明顯的變化，強(qiáng)酸性條件下，量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度最弱，這是因?yàn)槿芤褐休^為豐富的H+抑制了量子點(diǎn)表面羧基的解離。相反當(dāng)溶液偏堿性時(shí)，其中會(huì)有含有豐富的OH-，能夠促進(jìn)羧基的解離，但過高的pH值同樣會(huì)降低量子點(diǎn)的熒光。

圖5 Cy7(a)和InP/ZnS量子點(diǎn)(b)在不同pH值溶液中的熒光光譜圖 Fig.5 Fluorescence spectra of Cy7(a) and InP/ZnS quantum dots(b) in different pH solutions

測(cè)試了供受體對(duì)pH值的響應(yīng)之后，通過調(diào)節(jié)FRET體系(InP/ZnS-Cy7)的pH值，驗(yàn)證該體系的對(duì)pH值的敏感性。癌細(xì)胞形成初期表現(xiàn)是pH值的微弱改變，因此，本文擬利用自行構(gòu)建的FRET體系對(duì)pH值的敏感性實(shí)現(xiàn)對(duì)不同pH值緩沖液的監(jiān)測(cè)，最終應(yīng)用于癌細(xì)胞微環(huán)境檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)癌癥早期診斷。如圖5所示，驗(yàn)證了pH值的微弱改變(pH=6.7～9.1)對(duì)體系的熒光強(qiáng)度的影響。在一定范圍內(nèi)，pH值的降低，體系的熒光強(qiáng)度逐漸減弱，呈現(xiàn)出明顯趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該體系可以作為pH值敏感型生物探針。

圖6 FRET體系在不同pH值溶液中的熒光光譜圖 Fig.6 Fluorescence spectra of FRET system in different pH solutions

3.4 FRET體系對(duì)生物微環(huán)境檢測(cè)的應(yīng)用

為了驗(yàn)證InP/ZnS-Cy7體系生物應(yīng)用的可行性，首先采用MTT比色分析法對(duì)體系的細(xì)胞毒性進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試過程如下：

利用96孔板培養(yǎng)MCF-7乳腺癌細(xì)胞，F(xiàn)RET體系按照濃度梯度為4、2、1、0.5和0.25 nmol/mL溶解，向孔中分別加入不同濃度的待測(cè)樣品，搖勻后置于CO2培養(yǎng)箱(37 ℃)中培養(yǎng)24 h，確保樣品進(jìn)入細(xì)胞并對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生作用。24 h后，取出含有樣品的96孔板，向每個(gè)孔中加入5 μg/mL的MTT溶液20 μL，搖勻后再培養(yǎng)4 h，活細(xì)胞的線粒體中的琥珀酸脫氫酶能使MTT還原為水不溶性的藍(lán)紫色結(jié)晶甲瓚。抽取孔上層溶液后加入150 μL的二甲基亞砜(DMSO，購(gòu)于Sigma)，利用酶標(biāo)儀在495 nm處對(duì)其進(jìn)行掃描，得到細(xì)胞活性數(shù)據(jù)。如圖7所示，24 h后，隨著InP/ZnS-Cy7體系濃度的增加，細(xì)胞活性雖然有所降低，但總體細(xì)胞活性均保持在60%以上，具有良好的生物兼容性，可以進(jìn)行相關(guān)的生物研究和應(yīng)用。

圖7 FRET體系的細(xì)胞毒性測(cè)試 Fig.7 Relative cell viability of MCF-7 breast cancer cell treated with FRET system

為了證明該體系可以作為熒光探針對(duì)生物微環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，便于未來應(yīng)用于癌癥的早期診斷研究中。我們應(yīng)用所構(gòu)建的近紅外熒光探針對(duì)不同的細(xì)胞微環(huán)境進(jìn)行了檢測(cè)，分別采用高糖培養(yǎng)基(DMEM)、50%密度的巨噬細(xì)胞(RAW 264.7)培養(yǎng)48 h后的含有代謝產(chǎn)物的細(xì)胞外液、50%密度的MCF-7乳腺癌細(xì)胞培養(yǎng)48 h后的含有代謝產(chǎn)物的細(xì)胞外液作為檢測(cè)溶液，測(cè)試所獲的熒光光譜如圖8所示。可以明顯看到，探針的熒光隨著細(xì)胞外液酸堿度的變化而產(chǎn)生明顯變化，通過與精確pH試紙(MN,MACHEREY-NAGEL,德國(guó))比對(duì)，該FRET體系對(duì)細(xì)胞微環(huán)境pH值檢測(cè)精度可達(dá)到0.1，在乳腺癌細(xì)胞外液中的FRET體系的熒光強(qiáng)度最弱。

圖8 FRET體系對(duì)不同細(xì)胞微環(huán)境的檢測(cè) Fig.8 Detection result of different cell microenvironment by FRET system

量子點(diǎn)良好的熒光信號(hào)決定了所構(gòu)建的FRET體系除了能夠?qū)崿F(xiàn)癌細(xì)胞的pH值敏感度檢測(cè)外，還能夠?qū)崿F(xiàn)癌細(xì)胞的熒光標(biāo)記。圖9顯示了FRET體系對(duì)MCF-7乳腺癌細(xì)胞的成像實(shí)驗(yàn)。從明場(chǎng)圖像可以看出對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組細(xì)胞生長(zhǎng)狀態(tài)良好，細(xì)胞形態(tài)正常，呈不規(guī)則多邊形，沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)胞形態(tài)的變化，或細(xì)胞壁破損的情況，說明該FRET體系毒性較低。通過暗場(chǎng)熒光圖可以看出，相比對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組的細(xì)胞內(nèi)具有來自于FRET體系的明顯熒光信號(hào)，證明該FRET體系可作為熒光探針對(duì)乳腺癌進(jìn)行熒光標(biāo)記。

圖9 FRET體系對(duì)MCF-7乳腺癌細(xì)胞的熒光標(biāo)記 Fig.9 Fluorescently label in MCF-7 breast cancer cells by FRET system

4 結(jié) 論

本文采用近紅外InP/ZnS量子點(diǎn)與近紅外Cy7染料構(gòu)建FRET體系，通過改變體系中量子點(diǎn)和Cy7染料的濃度對(duì)FRET體系轉(zhuǎn)移效率的影響進(jìn)行了討論分析。最后，研究了不同pH值溶液對(duì)FRET體系的影響，結(jié)果顯示Cy7染料本身對(duì)pH值并不敏感，F(xiàn)RET體系對(duì)pH值的敏感性主要源于量子點(diǎn)對(duì)pH值的敏感性，當(dāng)溶液pH值處在7～10時(shí)，F(xiàn)RET體系具有較高的FRET轉(zhuǎn)移效率。細(xì)胞測(cè)試結(jié)果表明，F(xiàn)RET探針的熒光信號(hào)隨著細(xì)胞外液酸堿度的變化而產(chǎn)生明顯變化，可用于生物微環(huán)境中對(duì)癌細(xì)胞的檢測(cè)。同時(shí)，乳腺癌細(xì)胞外液中的FRET體系的明顯熒光信號(hào)可以應(yīng)用于癌細(xì)胞成像，實(shí)現(xiàn)了FRET體系的雙重功能。

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