近日，中國科學院過程工程所(IPE)生化工程國家重點實驗室生物劑型與生物材料課題組與清華大學(THU)及天津大學(TJU)合作，基于無定形金屬有機框架開發(fā)出一種新劑型，可實現(xiàn)酶分子的細胞內(nèi)高效遞送和催化，在單細胞水平上實現(xiàn)細胞代謝產(chǎn)物的原位檢測。該工作發(fā)表于Nature Communications 2019，10，5165，題目為"Packaging and delivering enzymes by amorphous metal-organic frameworks"。
 

　　受限于細胞膜的屏障作用和細胞內(nèi)的降解因素，外源的酶分子難以進入細胞內(nèi)發(fā)揮高效的催化反應。為解決上述難題，本論文的研究團隊制備了新型的無定形態(tài)金屬有機骨架納米顆粒，用于酶分子的負載。該劑型能夠克服細胞膜屏障，將酶分子高效遞送進細胞中；同時利用納米顆粒的保護作用，保證酶分子的天然活性；進一步借助無定形態(tài)金屬有機骨架的介孔結(jié)構(gòu)(3-6 nm，晶態(tài)結(jié)構(gòu)僅1 nm)，強化底物和產(chǎn)物的傳質(zhì)擴散(圖1 a-d)。基于上述優(yōu)勢，該劑型可用于細胞內(nèi)代謝產(chǎn)物的原位檢測。以葡萄糖為例，經(jīng)過該劑型催化后的產(chǎn)物可以與相應的熒光探針反應，借助高內(nèi)涵技術(shù)在單細胞水平上實現(xiàn)無損傷的實時定量檢測，細胞在96孔板中貼壁24小時后，加入納米顆粒包裝的葡萄糖氧化酶及底物熒光探針，使用Operetta CLS高內(nèi)涵系統(tǒng)連續(xù)觀察4小時(37 °C and 5% CO2)，輸出各組長時間細胞熒光圖像。使用Harmony分析軟件計算獲得單細胞熒光信號變化數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示葡萄糖代謝活躍度高的腫瘤細胞顯示更高的熒光強度(HepG2>4T1>MCF-7>MGC803)。此方法可用于細胞代謝狀態(tài)的判斷以及正常細胞和癌細胞的區(qū)分(圖1 e-j)，相比傳統(tǒng)的化學方法，保證精確度的同時實現(xiàn)了活細胞無損傷原位葡萄糖代謝檢測，為慢性病的監(jiān)控和癌癥的早期診斷提供了新思路。

 

　　圖1 無定形金屬有機框架納米劑型的構(gòu)建及其在細胞代謝物原位檢測中的創(chuàng)新應用。無定形納米載體(a)及酶-無定形納米載體復合物(b)的掃描電鏡圖；(c)Cryo-EM成像顯示無定形載體的結(jié)構(gòu)；(d)酶分子經(jīng)過負載后的表觀活性；不同代謝狀態(tài)下細胞的熒光強度變化圖(e)以及對應高內(nèi)涵圖像(f)正常肝細胞(橙色)和肝癌細胞(藍色)的熒光強度變化圖(g)以及對應高內(nèi)涵圖像(h)；(i)不同細胞胞內(nèi)葡萄糖濃度和熒光強度的關(guān)系；(j)每種細胞熒光強度達到峰值時的對應圖像。
 

　　吳曉玲博士(THU)、岳華副研究員(IPE)和博士生張原宇(THU)為本文共同第一作者，戈鈞長聘副教授(THU)、魏煒研究員(IPE)、張麟教授(TJU)和李賽研究員(THU)為本文共同通訊作者。該研究得到國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金以及國家重點研發(fā)計劃項目等支持。