蘇彬課題組:細胞-基質黏著蛋白和細胞-細胞間連接蛋白的空間選擇性電化學發光定位識別

來源:浙江大學化學系 發布時間:2021-05-06   10

電化學發光(Electrochemiluminescence,ECL)是由電化學反應引發的暗場光輻射,具有背景低、靈敏度高、時空可控性強等優勢。作為一種靈敏的表面分析方法,電化學發光顯微成像技術在細胞分析中引起了廣泛關注,已經實現了底部細胞膜、細胞-基質黏著等細胞結構的電化學發光成像。但是,實際應用中常需對位于不同空間位置的多種細胞結構進行同時分析。例如,細胞底部的細胞-基質黏著與靠近細胞頂部的細胞-細胞間連接協同作用,共同維持多細胞有機體的穩態平衡。如何實現兩種細胞連接結構的空間選擇性成像,對現有的電化學發光顯微成像方法仍十分具有挑戰性。浙江大學化學系蘇彬教授課題組通過改變發光探針和/或共反應劑分子的濃度,調控電化學發光反應路徑,使發光層厚度與不同細胞連接的空間位置相匹配,實現了細胞-基質黏著和細胞-細胞間連接的空間選擇性定位識別。

圖片

圖1. 調控電化學發光層厚度,實現(a)光膠點和(b)細胞-基質黏著、細胞-細胞間連接的電化學發光順次定位識別。圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

作者以光膠點模擬細胞,當三聯吡啶釕(Ru(bpy)32+)濃度較低時(50 μM),電化學發光圖像中光膠點的形狀不受共反應劑(三正丙胺或二丁基乙醇胺)濃度影響,圖像尺寸始終與光膠點的物理尺寸相當。此時,電化學發光過程由“氧化-還原路徑”主導,發光限域于電極表面,據此即可實現細胞底部的細胞-基質黏著蛋白的成像識別。

圖2. 發光分子濃度較低時,電化學發光表面限域,適合細胞-基質黏著成像。圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.
 
當Ru(bpy)32+濃度較高時(500 μM),隨著共反應劑濃度逐漸降低,光膠點的電化學發光圖像明顯減小。此時,電化學發光過程由“催化路徑”主導,較高濃度的共反應劑及反應過程產生的自由基可顯著消耗電化學氧化產生的Ru(bpy)33+,使發光限域于電極表面;而共反應劑濃度較低時,Ru(bpy)33+可擴散至距離電極表面較遠的位置,使電化學發光層變厚。有限元多物理場模擬佐證了上述發光機制。因此,通過逐漸降低共反應劑濃度,即可調控發光層厚度由薄至厚,實現從細胞-基質黏著蛋白到細胞-細胞間連接蛋白的順次成像識別。


圖3. 發光分子濃度較高時,降低共反應劑濃度,發光層變厚。圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.



圖4. 發光分子濃度較高時,降低共反應劑濃度,實現細胞-基質黏著到細胞-細胞間連接的順次定位識別。圖片來源:Angew. Chem. Int. Ed.

該工作提出了一種簡單有效的、通過改變發光分子和/或共反應劑濃度調控電化學發光層厚度的方法,闡明了電化學發光“催化路徑”的反應機制,推動了電化學發光表面識別和空間定位識別測量的分析應用,實現了細胞底部的細胞-基質黏著蛋白和頂部的細胞-細胞間連接蛋白的順次成像識別。研究結果不僅有助于深化對電化學發光反應機制的科學認知,還將進一步推動電化學發光空間定位識別測量及其在亞細胞水平生化分析中的應用。

該研究成果近期發表在Angewandte Chemie International Edition 上,論文通訊作者為浙江大學化學系蘇彬教授,第一作者為蘇彬教授課題組博士研究生丁昊。該工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、浙江省自然科學基金和中國博士后基金的資助,作者表示感謝!

Spatially Selective Imaging of Cell–Matrix and Cell–Cell Junctions by Electrochemiluminescence
Hao Ding, Ping Zhou, Wenxuan Fu, Lurong Ding, Weiliang Guo, Bin Su
Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI: 10.1002/anie.202101467



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