细胞内源性分子辅助荧光信号放大策略及细胞成像

doi:10.7503/cjcu20220320

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (12): 20220320.doi: 10.7503/cjcu20220320

细胞内源性分子辅助荧光信号放大策略及细胞成像

马小飞¹, 胡山¹, 李俊彬¹, 杨盛², 谌委菊¹, 卿志和¹(), 周怡波¹(), 杨荣华²()

^1.长沙理工大学化学化工学院, 细胞化学湖南省重点实验室, 长沙 410114
^2.湖南师范大学化学化工学院, 化学生物学及中药分析教育部重点实验室, 长沙 410081

收稿日期:2022-05-10 出版日期:2022-12-10 发布日期:2022-05-30
通讯作者: 卿志和,周怡波,杨荣华 E-mail:qingzhihe@hnu.edu.cn;yibozhou@163.com;yangrh@pku.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(22074008);化学生物传感与计量学国家重点实验室开放基金(2021018)

Cellular Endogenous Molecule-assisted Fluorescence Signal Amplification Strategy and the Application of Cell Imaging

MA Xiaofei¹, HU Shan¹, LI Junbin¹, YANG Sheng², CHEN Weiju¹, QING Zhihe¹(), ZHOU Yibo¹(), YANG Ronghua²()

^1.Hunan Provincial Key Laboratory of Cytochemistry，School of Chemistry and Chemical Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，China
^2.Key Laboratory of Chemical Biology & Traditional Chinese Medicine Research，Ministry of Education，College of Chemistry and Chemical Engineering，Hunan Normal University，Changsha 410081，China

Received:2022-05-10 Online:2022-12-10 Published:2022-05-30
Contact: QING Zhihe, ZHOU Yibo, YANG Ronghua E-mail:qingzhihe@hnu.edu.cn;yibozhou@163.com;yangrh@pku.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22074008);the Open Funds of State Key Laboratory of Chemo/Biosensing and Chemometrics of Hunan University, China(2021018)

摘要/Abstract

摘要：

细胞内原位信号放大策略是检测低丰度内源性目标物的有效手段, 但多数信号放大策略依赖于外源性辅助物, 不可避免地改变细胞内微环境, 进而对机体造成一定干扰. 针对此问题, 可利用细胞内源性物质(如金属离子、核酸、蛋白酶等)实现原位荧光信号放大, 对不同生物标志物进行荧光成像, 此方法对低丰度靶分子检测及成像具有重要意义. 本文对内源性物质辅助信号放大及细胞内荧光成像相关研究进行了归纳整理, 介绍了内源性核酸、酶、蛋白质、三磷酸腺苷(ATP)和金属离子辅助信号放大策略, 并探讨了其信号放大机理; 总结了内源性物质辅助信号放大探针在低丰度物质检测及成像方面的研究进展; 最后展望了该策略在细胞成像方面的优势及应用前景.

关键词: 细胞, 内源性分子, 信号放大, 荧光成像

Abstract:

In situ signal amplification strategy is an effective mean to detect low-abundance of endogenous targets. However， most of signal amplification strategies rely on exogenous substances， which inevitably change the intracellular microenvironment and causing certain interference to the body. For this problem， it has been reported that using endogenous substances， such as metal ions， nucleic acids and proteases， can achieve in situ fluorescence signal amplification. Fluorescence imaging of different biomarkers is of great significance for the imaging of low-abundance target molecules. In this review， we summarize the related researches on endogenous substance-assisted signal amplification and the application of cell imaging. Firstly， we introduce endogenous nucleic acid， enzyme， protein， ATP and metal ion-assisted signal amplification strategies and discuss their signal amplification mechanisms. Then， the research progress of endogenous substance-assisted signal amplification probes in the detection and imaging of low-abundance substances was summarized. Finally， we look forward to the advantages and application prospects of this strategy in cell imaging.

Key words: Cell, Endogenous molecule, Signal amplification, Fluorescence imaging

中图分类号:

O657

TrendMD:

马小飞, 胡山, 李俊彬, 杨盛, 谌委菊, 卿志和, 周怡波, 杨荣华. 细胞内源性分子辅助荧光信号放大策略及细胞成像. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220320.

MA Xiaofei, HU Shan, LI Junbin, YANG Sheng, CHEN Weiju, QING Zhihe, ZHOU Yibo, YANG Ronghua. Cellular Endogenous Molecule-assisted Fluorescence Signal Amplification Strategy and the Application of Cell Imaging. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(12): 20220320.

图/表 12

Fig.1 An endogenous mRNA⁃powered nanoflare image of intracellular microRNA in living cells[14]（A）Schematic of working principle of mRNA-driven FRET nanoflares；（B）the amplification of imaging of miRNA in MCF-7 cells. Copyright 2020， Wiley‐VCH.

Fig.2 Intracellular endonuclease⁃driven DNA motors for discrimination of cancer cells and normal cells[21]（A） Schematic of the APE1-driven burning “bridge” DNA motors；（B）single-molecule fluorescence trajectories of DNA motors in the presence of APE1 enzyme；（C1， C2） fluorescence images of living cells incubated with DNA motor. Copyright 2019， the Royal Society of Chemistry.

Fig.3 Endogenous enzyme⁃driven DNA walker image of uracil⁃DNA glycosylase in living cells[22]（A） Schematic of the DNA walker powered by APE1 enzyme；（B） fluorescence images of HeLa cells treated with the DNA walker. Copyright 2013， the Royal Society of Chemistry.

Fig.4 DNA walkers image of diffusion⁃restricted microenvironments in cells[27]（A） Schematic of nanomotors powered by endogenous enzymes；（B） the DNA walkers monitor intracellular DNA damage repair pathways in living cells.Copyright 2019， the Royal Society of Chemistry.

Fig.5 Nanosensor based on cytoplasmic protein⁃assisted signal amplification for imaging of ·OH[41]（A） Schematic of cytoplasmic proteins-powered fluorescence amplification image of low abundance of target；（B） fluorescence images of RAW264.7 cells treated with nanosensor under different conditions.Copyright 2019， American Chemical Society.

Fig.6 Nanoprobe based on cytoplasmic protein⁃assisted signal amplification image of hypoxia associated with acute colitis[42]（A） Schematic of nanoprobe image of hypoxia associated with acute colitis；（B） fluorescence images of different hypoxic conditions in living cells；（C） mice of acute colitis model treated with nanoprobe.Copyright 2020， American Chemical Society.

Fig.7 Monitoring the fluctuation of hydrogen polysulfides during fertilization and embryonic development with polymeric nanobeacon[43]（A） Illustration of the polymeric nanobeacon in the presence of endogenous H2S n；（B） fluorescence imaging of H2S n during fertilization and embryonic development with the nanobeacon.Copyright 2022， Wiley‐VCH.

Fig.8 Self⁃immolative dye⁃doped polymeric probe image of ·OH by avoiding leakage[44]（A） Schematic of the working mechanism of self-immolative dye-doped polymeric probe；（B） fluorescence images of living cells treated with SDPP and dye-loaded nanoprobe；（C） myocarditic nude mice treated with SDPP.Copyright 2021， American Chemical Society.

Fig.9 ATP⁃driven photosensitizers image of microRNA in cells[48]（A） Schematic of the intracellular ATP-driven strand displacement reaction；（B） fluorescence images of cells incubated with photosensitizers under different conditions.Copyright 2019， American Chemical Society.

Fig.10 DNA nanomachine powered by endogenous ATP sense target in living cells[49]（A） Schematic of the motion of proposed ATP-powered DNA nanomachine；（B） detection of miR-21 in living cells；（C） real-time monitoring the operation of nanomachine in HeLa cells. Copyright 2018， Royal Society of Chemistry.

Fig.11 Imaging of intracellular microRNA with near⁃infrared light controllable DNA walker driven by ATP[50]（A） Schematic diagram of light-activated DNA walker system for spatiotemporally sensing miRNA；（B） HeLa cells fluorescence imaging.Copyright 2021， American Chemical Society.

Fig.12 Nanoprobe based on metal ion⁃assisted signal amplification for miRNA imaging[53]（A） Schematic of DNAzyme probe for amplified miRNA detection in live cells；（B） real-time fluorescence imaging of intracellular miR-21.Copyright 2017， American Chemical Society.

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细胞内源性分子辅助荧光信号放大策略及细胞成像

Cellular Endogenous Molecule-assisted Fluorescence Signal Amplification Strategy and the Application of Cell Imaging

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