细胞器靶向荧光纳米光极的仿生设计及其在活细胞离子动态中的高时空分辨原位成像研究

Regulation of ion channels is related to many important cellular physiological and pathological processes. Due to the difficulties in realizing in situ detection of ion fluxes across intracellular membranes, it is still a grand challenge in biological and biomedical science to decipher the process so as to regulate organellar ion channels. Toward this challenge, based on fluorescent nano-optode for in situ monitoring of ion fluxes across plasma membrane, a biocompatible and targeting fluorescent nano-optode is proposed for spatiotemporal imaging of ion dynamics for live cells. Specifically, this research will explore the design strategy and assembly mechanism of functional peptides and biomimetic fabrication of polymeric nanospheres with similar morphology to the virus, therefore offering a new technology platform for smart localization of the organelles and precise in-situ monitoring of organellar ion dynamics. The study can greatly simplify the complex synthesis procedure of organelle-targeting ion-selective fluorescent probes and contribute to rapidly develop practical and targeting nano-devices for live cells imaging analysis. Moreover, it brings about new strategies for the construction of smart nano-devices for complex biological systems and promotes the application of nanobiotechnology and organelle-targeting fluorescence imaging in biomedical science.

离子通道的调控涉及许多重要的细胞生理病理过程。由于胞内跨膜离子流的原位检测存在很大的技术难度，目前破译胞内跨膜离子流机理并以此解析细胞器离子通道功能机制，仍然是生命科学和生物医学领域所面临的一个巨大的挑战。面对这一挑战，本研究基于荧光纳米光极可监测质膜离子流这一基础，拟发展生物相容性好和可靶向识别的荧光纳米光极用于单细胞离子动态的时空分辨研究。具体而言，本研究将通过探索功能肽的设计思路和组装机制，来仿生制备类似病毒颗粒形态的聚合物纳米球，以此开发一个崭新的可智能定位细胞器和原位、在线监测细胞器离子动态的技术平台。本研究可望大幅度简化细胞器靶向的离子特异性荧光探针的合成程序，有助于快速批量研发实用性的可靶向识别的纳米器件，应用于活细胞成像分析。该项目有望为发展复杂生物体系中的智能型纳米器件开辟新策略；推进纳米生物技术和细胞器靶向荧光成像技术在生物医药领域的应用。

离子通道的调控涉及许多重要的细胞生理病理过程。本课题针对胞内亚细区域的离子动态和跨膜离子流的监测这一难题，基于荧光纳米光极可监测质膜离子流这一基础，开发了适用于离子选择性纳米光极的新型传感材料，合成了可生物降解、粒径大小可控的新型荧光纳米光极，提高了其在胞内成像分析应用的生物相容性；并通过噬菌体展示技术获得了特异性识别新型荧光纳米光极的结合肽序列，构建了由结合肽介导细胞器靶向肽自组装的智能纳米界面，实现了纳米器件的高表面覆盖率、高穿膜转运效率和精确细胞器定位功能；在此基础上，开发了一种具有精确定位功能、高细胞转导效率和快速离子响应性能的细胞器靶向型荧光纳米光极，实现了亚细胞器水平离子活度的高时空分辨监测，并且利用其离子交换的串联式传感机理，只需一种pH染料，结合现有的离子选择性载体，由此建立了一个崭新的用于细胞器离子动态高时空分辨监测的光学分析平台。本项目按照计划，完成项目任务，执行期间以第一作者或通讯作者身份发表SCI论文5篇；申请发明专利2项，已授权3项。