本文要點：目前，可通過植物納米離子傳感器與專門設計的納米探針連接，來實時監測植物中的信號分子，這些納米探針已被認為是獨立于物種的分析工具。作者發現了一種有效的NIR-II熒光MOF納米探針作為植物納米離子傳感器，用于實時監測植物中的三磷酸腺苷（eATP）信號。這些納米探針具有優異的特性使得能夠在植物環境脅迫下以優異的靈敏度和選擇性非破壞性地實時研究eATP信號傳導波動。植物納米離子傳感器作為一組新興的工具，用于快速和大規模的植物表型研究復雜信號網絡。

三磷酸腺苷（ATP）是所有生物體的通用能量來源；它通常以高濃度被限制在細胞中，并在某些刺激（創傷、炎癥或腫瘤）下釋放到細胞外基質中。釋放到細胞外的ATP（eATP）被認為是調節細胞生長并誘導動物和植物細胞中的免疫應答的信號傳導分子。植物納米離子傳感器的概念首先由Strano等人提出，并已應用于植物信號分子的體內檢測，其中將設計的具有第二近紅外熒光的納米探針注入活體植物中，用于監測信號分子動態。

作者設計了一種基于IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的新型植物納米離子傳感器，用于跟蹤植物葉片切片中eATP的時空動態。將疏水性近紅外染料（IR-1061）嵌入兩親聚合物（DSPE-mPEG，2000）層中以形成穩定的水溶性膠束。金屬有機骨架（MOF）ZIF-90在這些膠束的表面上生長，導致熒光強度增強。將IR-1061膠束@ZIF-90納米探針注射到菠菜葉中，并且由于它們的尺寸而位于細胞外基質中。當ZIF-90在體內被eATP分解時，熒光根據ATP濃度而降低。此外，植物納米離子傳感器能夠實時監測由環境脅迫，特別是創傷引起的各種植物中的eATP波動。

通過用兩親聚合物（DSPE-mPEG，2000）和MOF（ZIF-90）連續包封疏水NIR-II染料（IR-1061）來合理設計納米探針（圖1a）。IR-1061是典型的水不溶性聚甲川NIR-II熒光團（圖1b），由于與水分子的猝滅相互作用，其存在水溶液中亮度有限的問題。因此，將其包封在兩親性聚合物DSPE-mPEG 2000中（圖1b）以形成IR-1061膠束的親水性納米顆粒。此外，在 IR-1061 膠束上涂覆了對ATP敏感的MOF層ZIF-90，生成了具有明亮NIR-II熒光發射的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針。

IR-1061膠束平均尺寸為55.2 nm，在水溶液中顯示出良好的溶解度（圖1c）。IR-1061膠束在水溶液中的吸收峰和發射峰分別為962 nm和1004 nm，由于IR-1061分子在膠束中的局部環境與在甲醇中的局部環境不同，其與在甲醇中的IR-1061相比均藍移（圖1d）。IR-1061膠束具有較好的光穩定性，在808 nm激光照射下10 min，IR-1061膠束的發光強度保持在90%以上。

IR-1061納米探針通過MOF ZIF-90在IR-1061膠束周圍生長來制備。使用Zn 2+與2-ICA的比例為4：25和10 μM IR-1061膠束的優化參數，制備了尺寸為266.1 nm的均勻和分散的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針（圖1 e和f）。IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的PXRD峰與實驗ZIF-90和模擬ZIF-90的PXRD峰一致，表明IR-1061膠束的包封對ZIF-90的晶格畸變具有可忽略的影響（圖1g）。

圖1

低量子產率是存在于NIR-II熒光團中的一般缺點。IR-1061作為典型的NIR-II熒光團，在水溶液中顯示有限的亮度。作者發現，在涂覆ZIF-90后，探針顯示出與IR-1061膠束相比顯著的16.6倍熒光增強，伴隨著NIR-II熒光峰從1004 nm藍移至924 nm（圖2a和b）。該現象不同于傳統的看法，即在熒光分子周圍涂覆MOF將掩蓋熒光發射。為了研究這種熒光增強的機制，作者使用相同的金屬源和不同的有機配體與ZIF-90合成了幾種MOF以封裝IR-1061膠束（圖2d）。

與IR-1061膠束相比，IR-1061膠束@ZIF-8納米顆粒的熒光在被ZIF-8覆蓋后降低，而IR-1061膠束@ZIF-93納米顆粒的熒光在包封在ZIF-93中后增強3.3倍（圖2c）。根據實驗結果，推測MOFs中的醛基在增強熒光中起著至關重要的作用，NIR-II熒光團的供體上的吸電子或供電子基團的修飾能夠調節熒光團發射強度。為了進一步證實，將具有供電子羥基的MOF-74涂覆在IR-1061膠束上，并且相應的熒光也降低（圖2c）。通過將熒光團封裝到具有吸電子基團的MOF中來增強NIR-II熒光團的亮度是一種新穎的策略。此外，研究了IR-1061膠束@ZIF-90納米探針在水溶液中的NIR-II熒光穩定性。納米探針在水溶液中的熒光發射在24小時監測期間相當穩定（圖2 e和g）。

圖2

此外，將IR-1061膠束@ZIF-90注射到3周齡菠菜葉的葉片中，以顯示納米探針在活植物中的活力（圖3a）。通過浸潤葉的NIR-II顯微成像，IR-1061膠束@ZIF-90納米探針集中在葉的氣孔和細胞外基質上，表明通過葉氣孔運輸并定位在葉的細胞外基質中（圖3b）。定位于細胞外的納米探針能夠檢測創傷誘導的細胞外ATP產生。滲透到葉子中的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針的NIR成像表現出強烈且清晰的NIR信號（圖3a）。近紅外信號顯示15 h的背景波動可忽略不計，表明納米探針在植物復雜基質中的穩定性質。

通過測量植物體內外源ATP引發的IR-1061膠束@ZIF-90的近紅外熒光，評價了IR-1061膠束@ZIF-90納米探針用于體內ATP標記的可行性。將不同濃度的三磷酸腺苷(ATP)的IR-1061膠束@ZIF-90納米探針滲透到葉片中，獲得近紅外熒光圖像。隨著ATP濃度的增加，IR-1061膠束@ZIF-90的NIR-II發射強度逐漸降低(圖3C和d)。ATP濃度在0至100 μM范圍內與IR-1061膠束@ZIF90的熒光強度之間存在線性關系（圖3e）。這表明IR-1061膠束@ZIF-90納米棒能夠檢測活植物中ATP的異常波動。

圖3

在非生物脅迫下，如受傷，ATP從植物細胞中釋放出來，并通過轉運蛋白、胞吐作用和受傷的細胞質膜導致細胞外基質中eATP濃度增加（圖4a）。eATP是觸發植物中隨后反應的信號分子。因此，監測eATP是感知植物生理狀況的有效方法。作者檢測了菠菜創傷產生的eATP（圖4 b）。在使用微針陣列施加創傷應激后，NIR-II強度迅速降低，而在沒有創傷的情況下，用IR-1061膠束@ ZIF-90納米探針包埋的植物葉的對照側表現出可忽略的信號響應（圖4 b和c）。這種明顯的信號差異可能來源于植物在創傷脅迫下細胞外基質中eATP的增加。將ATP清除劑（腺苷三磷酸酶，ATP酶）引入植物葉中以進一步證實上述eATP誘導的信號（圖4d）。與沒有ATP酶處理的對照樣品相比，ATP酶的應用顯著降低了NIR熒光強度變化（圖4 e），這是由于ATP酶對由于創傷應激而釋放的eATP的分解。此外，由于IR-1061膠束@ZIF-90納米探針在復雜植物基質中的穩定性質，納米探針能夠重復監測創傷信號。當葉片的相同部位重復受傷時，納米探針在每次受傷處理后顯示出連續且相似的特征性反應（圖4f），表明納米探針用于實時監測活植物中的eATP信息的可能性。

圖4

參考文獻

Qiu Q, Sun S, Yuan H, et al. Second near-infrared fluorescent Metal-Organic framework sensors for in vivo extracellular adenosine triphosphate monitoring.Biosens Bioelectron. Published online February 7, 2024. doi:10.1016/j.bios.2024.116114

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近紅外二區小動物活體熒光成像系統 - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

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