SERS纳米探针对电刺激过程中细胞内产生活性氧的检测

doi:10.7503/cjcu20220033

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (6): 20220033.doi: 10.7503/cjcu20220033

SERS纳米探针对电刺激过程中细胞内产生活性氧的检测

陈嘉敏¹^,², 曲孝章¹^,², 齐国华³, 徐蔚青¹^,², 金永东³, 徐抒平¹^,²()

^1.吉林大学化学学院, 超分子结构与材料国家重点实验室,
^2.理论化学研究所, 长春 130012
^3.中国科学院长春应用化学研究所, 电分析化学国家重点实验室, 长春 130022
^4.吉林大学第一医院, 长春 130031

收稿日期:2022-01-13 出版日期:2022-06-10 发布日期:2022-02-18
通讯作者: 徐抒平 E-mail:xusp@jlu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21873039);2021年度应用光学国家重点实验室开放基金(SKLAO2021001A);吉林大学学科交叉融合创新项目(JLUXKJC2020106)

SERS Nanoprobe for the Detection of Reactive Oxygen Species in Cells Produced by Electrostimulus

CHEN Jiamin¹^,², QU Xiaozhang¹^,², QI Guohua³, XU Weiqing¹^,², JIN Yongdong³, XU Shuping¹^,²()

^1.State Key Laboratory of Supramolecular Structure and Materials，College of Chemistry
^2.Institute of Theoretical Chemistry，Jilin University，Changchun 130012，China
^3.State Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry，Changchun Institute of Applied Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130022，China
^4.First Hospital of Jilin University，Changchun 130031，China

Received:2022-01-13 Online:2022-06-10 Published:2022-02-18
Contact: XU Shuping E-mail:xusp@jlu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21873039);the Open Project of State Key Laboratory of Applied Optics, China(SKLAO2021001A14);the Interdisciplinary Integration Innovation Project of Jilin University, China(JLUXKJC2020106)

摘要/Abstract

摘要：

电刺激是用于细胞内紊乱电活动引起疾病的一类重要治疗方式. 在电刺激过程中是否会诱导细胞内活性氧(ROS)水平的改变, 以及常规抗氧化抑制药物与电刺激治疗同时运用带来的影响, 目前尚未有相关研究. 本文设计了一种具有较好生物相容性的金/银核壳纳米棒表面增强拉曼(SERS)活性探针, 用于电刺激过程中细胞内产生ROS的检测. 将该探针与细胞共孵育, 使其内化入细胞, 对细胞进行不同时间的电刺激, 利用拉曼光谱对SERS探针的信号进行检测. 实验结果表明, 随着电刺激时间的延长, SERS信号减弱, 说明细胞内产生ROS的量明显增加. 该传感机制是利用ROS能刻蚀金/银核壳纳米棒的银壳, 从而使其变薄引起SERS信号减弱. 抗坏血酸(AA)和谷胱甘肽(GSH)两种抗氧化抑制剂类药物与电刺激同时运用时, 可观察到它们会对电刺激过程产生的ROS有清除作用. 该研究发展了一类用于细胞内ROS检测的光谱方法, 也为异常的氧化应激和肿瘤治疗过程中的组合用药提供了建议.

关键词: 活性氧, 表面增强拉曼光谱, 电刺激, 原位检测

Abstract:

Electrostimulus（ES） is an important therapeutic method for diseases caused by abnormal intracellular electrical activity. Also， ES can induce apoptosis of cells， which is a potential tumor treatment method. At present， there are no relevant studies on the intracellular reactive oxygen species（ROS） levels produced in the process of ES， and what effects will be brought by the simultaneous implementation of conventional antioxidant inhibitor drugs and ES therapy. In this study， a kind of gold/silver core-shell nanorod-based surface-enhanced Raman（SERS）-active probe with good biocompatibility was designed for the detection of intracellular ROS generated during ES. The sensing mechanism realized the quantitative analysis of ROS based on the principle that ROS could etch the silver shell， leading to a decrease of the SERS signal of the SERS probe. The probe was co-incubated with cells and was internalized into cells. The cells were then electrically stimulated for different periods of time. Finally， the signal of the SERS probe was detected in vivo. The experimental results show that the SERS signal weakens with the extension of ES time， indicating that the amount of ROS produced in cells increases significantly. In addition， two antioxidation inhibitors， ascorbic acid（AA） and glutathione（GSH）， were studied when combined with ES. It was observed that they could eliminate reactive oxygen species（ROS） produced by electrical stimulation. This study developed a new method for intracellular ROS detection and suggests a combination of drugs for abnormal oxidative stress and tumor therapy. Also， ES can induce apoptosis of cells， which is a potential tumor treatment method.

Key words: Reactive oxygen species, Surface-enhanced Raman spectroscopy, Electrostimulus, in situ Detection

中图分类号:

O657.37

TrendMD:

陈嘉敏, 曲孝章, 齐国华, 徐蔚青, 金永东, 徐抒平. SERS纳米探针对电刺激过程中细胞内产生活性氧的检测. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220033.

CHEN Jiamin, QU Xiaozhang, QI Guohua, XU Weiqing, JIN Yongdong, XU Shuping. SERS Nanoprobe for the Detection of Reactive Oxygen Species in Cells Produced by Electrostimulus. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(6): 20220033.

图/表 7

Fig.1 UV?Vis spectra(A) and Zeta potentials(B) of Au NRs, MBN@Au NRs, Au/MBN/Ag NRs, and Au/MBN/Ag NRs@PEG, and the SERS spectra of MBN@Au NRs(a) and Au/MBN/Ag NRs（b)(C)

Fig.2 TEM images of MBN@Au NRs(A) and Au/MBN/Ag NRs(B)

Fig.3 Cell viabilities of MCF?7 cells after incubated with different concentrations of Au/MBN/Ag NRs, and Au/MBN/Ag NRs@PEG for 24 h(A) and cell viabilities of HepG2 cells after incubated with Au/MBN/Ag NRs@PEG for 24 h(B)

Fig.4 UV?Vis spectra(A) and SERS spectra(B) of Au/MBN/Ag NRs@PEG after incubated with different concentrations of H2O2(0, 200, 400, 600, and 1000 μmol/L) for 30 min, histogram of SERS intensities at 1072 cm-1 and TEM images(inset) before and after the nanoprobe etched with 1 mmol/L of H2O2(C)

Fig.5 Confocal fluorescence images of MCF?7 cells after different ES time of 0(A), 1 min(B), 3 min(C), 5 min(D), 7 min(E) and 9 min(F) and stained by DCFH?DA kit, and corresponding statistics of the mean fluorescence intensity(G)

Fig.6 SERS spectra of MCF?7 cells(A) and HepG2 cells(C) after different time of ES(0, 1, 3, 5, 7, 9 min), and the histograms of SERS intensity of MCF?7 cells(B) and HepG2 cells(D) at 1072 cm-1

Fig.7 SERS spectra of nanoprobes obtained from HepG2 cells after incubated with AA(A) and GSH(C), and ES for 5 min, the histograms of SERS intensity of AA(B) and GSH(D) at 1072 cm-1

参考文献 26

1	Cui K.， Fan C. C.， Chen G. X.， Qiu Y. Y.， Li M. W.， Lin M.， Wan J. B.， Cai C. S.， Xiao Z. Y.， Anal. Chem.， 2018， 90， 12137—12144
2	Noubade R.， Wong K.， Ota N.， Rutz S.， Eidenschenk C.， Valdez P. A.， Ding J.， Peng I.， Sebrell A.， Caplazi P.， deVoss J.， Soriano R. H.， Sai T.， Lu R.， Modrusan Z.， Hackney J.， Ouyang W.， Nature， 2014， 509， 235
3	Pizzino G.， Irrera N.， Cucinotta M.， Pallio G.， Mannino F.， Arcoraci V.， Squadrito F.， Altavilla D.， Bitto A.， Oxid. Med. Cell. Longevity， 2017， 2017， 8416763
4	Wang Y. Q.， Li L. L.， Zhao W. B.， Dou Y.， An H. J.， Tao H.， Xu X. Q.， Jia Y.， Lu S.， Zhang J. X.， Hu H. Y.， ACS Nano， 2018， 12， 8943—8960
5	Yue J.， Shen Y. T.， Wang J. Q.， Xu W. Q.， Xu S. P.， J. Light Scattering， 2019， 31， 317—325
	岳静，申燕婷，王佳琪，徐蔚青，徐抒平. 光散射学报， 2019， 31， 317—325
6	Wang H.， Wan K.， Shi X.， Adv. Mater.， 2019， 31， 1805368
7	Qi G. H.， Sun D.， Tian Y.， Xu C.， Zhang Y.， Wang D. D.， Ma K. S.， Xu S. P.， Jin Y. D.， Anal. Chem.， 2020， 92， 7861—7868
8	Qi G. H.， Li H. J.， Zhang Y.， Li C. P.， Xu S. P.， Wang M. M.， Jin Y. D.， Anal. Chem.， 2019， 91， 1408—1415
9	Qi G. H.， Wang J. F.， Ma K. S.， Zhang Y.， Zhang J.， Xu W. Q.， Jin Y. D.， Anal. Chem.， 2021， 93， 2183—2190
10	Wang L.Y.， Zhu B. H.， Deng Y. T.， Li T. T.， Tian Q. Y.， Yuan Z. G.， Ma L.， Cheng C.， Guo Q. Y.， Qiu L.， Adv. Funct. Mater.， 2021， 31， 2101804
11	Zhang Y.， Li J. H.， Bai J.， Li L. S.， Xia L. G.， Chen S.， Zhou B. X.， Water Res.， 2017， 125， 259—269
12	Chen X.， Wang T. G.， Le W. J.， Huang X.， Gao M. H.， Chen Q.， Xu S. H.， Yin D. T.， Fu Q. G.， Shao C. G.， Chen B. D.， Shi D. L.， Theranostics， 2020， 10， 3430—3450
13	Li Z. Y.， Xiao L.， Anal. Methods， 2017， 9， 1920—1927
14	Ye S.， Hananya N.， Green O.， Chen H. S.，Zhao A. Q.， Shen J. G.， Shabat D.， Yang D.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59， 14326—14330
15	Tan H. N.， Zhao Y. X.， Xu X. T.， Sun Y.， Li Y. H.， Du J. X.， Microchimica. Acta， 2020， 187， 42
16	Misak A.， Brezova V.， Chovanec M.， Luspai K.， Nasim M. J.， Grman M.， Tomasova L.， Jacob C.， Ondrias K.， Antioxidants， 2021， 10， 1286
17	Cui K.， Fan C. C.， Chen G. X.， Qiu Y. Y.， Li M. W.， Lin M.， Wan J. B.， Cai C. S.， Xiao Z. Y.， Anal. Chem.， 2018， 90， 12137—12144
18	Rota C.， Chignell C. F.， Mason R. P.， Free Radical Bio. Med.， 1999， 27， 873—881
19	Moore T. A.， Samson K.， Ahmad I. M.， Case A. J.， Zimmerman M. C.， Nursing Res.， 2020， 69， 244—248
20	Yagi M.， Takemoto S.， Sasase R.， Chem. Lett.， 2004， 33， 152—153
21	Yun Y. J.， Lu Z. S.， Jiao X. D.， Xue P.， Sun W.， Qiao Y.， Liu Y.， Bioelectrochemistry， 2022， 144， 108049
22	Zou Z.， Shi Z. Z.， Wu J. G.， Wu C.， Zeng Q. X.， Zhang Y. Y.， Zhou G. D.， Wu X. S.， Li J.， Chen H.， Yang H. B.， Li C. M.， Anal. Chem.， 2021， 93， 10789—10797
23	Si Y. M.， Li L. L.， Qin X. J.， Bai Y. C.， Li J. S.， Yin Y. D.， Analytica Chimica Acta， 2019， 1057， 1—10
24	Nikoobakht B.， El⁃Sayed M. A.， Chem. Mater.， 2003， 15， 1957—1962
25	Wang Y.， Yan B.， Chen L.， Chem. Rev.， 2013， 113， 1391—1428
26	Shen Y. T.， Liang L. J.， Zhang J.， Li， Z. Y.， Yue J.， Wang J. Q.， Xu W. Q.， Shi W.， Xu S. P.， Senors & Actuators： B： Chem.， 2019， 285， 84—89

[1]	邵文惠, 胡欣, 尚静, 林峰, 金黎明, 权春善, 张艳梅, 李军. 高效广谱复合光催化抗菌剂Ag-AgVO₃/BiVO₄的设计合成及抗菌机制[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220132.
[2]	王玮, 邹秉辰, 侯捷, 周万里, 罗建平, 王康丽, 蒋凯. Li-Ga液态金属电池界面反应过程的原位检测[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220261.
[3]	薛谨, 曹小卫, 刘依帆, 王敏. 纸质空心金纳米笼SERS传感器的制备及对非小细胞肺癌患者痰液中miRNAs的快速高灵敏检测[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2393.
[4]	陈峰, 程娜, 赵健伟, 宋易恬, 孙燕燕, 娄鑫梨, 童夏燕. 纳米颗粒银层的电沉积机理及SERS效应[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1891.
[5]	潘菁, 徐敏敏, 袁亚仙, 姚建林. 基于表面增强拉曼光谱快速检测纺织品禁用染料[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3716.
[6]	李文帅, 武国瑞, 张茜菁, 岳爱琴, 杜维俊, 赵晋忠, 刘定斌. 基于拉曼光谱的细菌检测研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(5): 872.
[7]	张辉, 张晨杰, 徐敏敏, 袁亚仙, 姚建林. SERS-HPLC联用技术对邻氨基苯硫酚与邻碘苯甲酰氯反应的监测[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2496.
[8]	韩东来,李博珣,杨硕,闫永胜,杨丽丽,刘洋,李春香. Fe₃O₄@Au核-壳纳米复合材料的制备及对农药福美双的SERS检测研究[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(10): 2067.
[9]	冯微, 王博蔚, 郑艳, 姜洋. 金纳米粒子簇的制备及表面增强拉曼光谱[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(9): 1875.
[10]	张璐涛, 周光明, 罗丹, 陈蓉. 表面增强拉曼光谱快速检测蜂蜜中的金霉素残留[J]. 高等学校化学学报, 2018, 39(8): 1662.
[11]	佟倜, 赵洋洋, 付义林, 单桂晔. 以Au/Cu纳米棒为基底的肺腺癌组织的特征表面增强拉曼光谱研究[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(9): 1536.
[12]	王红梅, 李玲玲, 陈海滨, 曾勇明, 陈宏炬, 陈启振, 林惠真, 田中群, 刘国坤. 表面增强拉曼光谱对西地那非类药物的快速检测[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(6): 1040.
[13]	陈慧, 夏迪, 袁亚仙, 徐敏敏, 姚建林. PDMS-Au复合基底上多环芳烃分子的表面增强拉曼光谱[J]. 高等学校化学学报, 2017, 38(3): 376.
[14]	庞然, 金曦, 赵刘斌, 丁松园, 吴德印, 田中群. 电化学表面增强拉曼光谱的量子化学研究[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(11): 2087.
[15]	杨津, 刘卓, 苏虹羊, 彭茹, 宋薇, 赵冰. 基于SERS的大鼠脑组织免疫分析[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(11): 2317.

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