SERS納米探針對電刺激過程中細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧的檢測

陳嘉敏， 曲孝章，4， 齊國華， 徐蔚青， 金永東， 徐抒平

SERS納米探針對電刺激過程中細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧的檢測

陳嘉敏1，2， 曲孝章1，2，4， 齊國華3， 徐蔚青1，2， 金永東3， 徐抒平1，2

（1. 吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院, 超分子結(jié)構(gòu)與材料國家重點實驗室, 2.理論化學(xué)研究所, 長春 130012； 3. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所, 電分析化學(xué)國家重點實驗室, 長春 130022； 4. 吉林大學(xué)第一醫(yī)院, 長春 130031）

電刺激是用于細(xì)胞內(nèi)紊亂電活動引起疾病的一類重要治療方式. 在電刺激過程中是否會誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)水平的改變, 以及常規(guī)抗氧化抑制藥物與電刺激治療同時運用帶來的影響, 目前尚未有相關(guān)研究. 本文設(shè)計了一種具有較好生物相容性的金/銀核殼納米棒表面增強(qiáng)拉曼(SERS)活性探針, 用于電刺激過程中細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS的檢測. 將該探針與細(xì)胞共孵育, 使其內(nèi)化入細(xì)胞, 對細(xì)胞進(jìn)行不同時間的電刺激, 利用拉曼光譜對SERS探針的信號進(jìn)行檢測. 實驗結(jié)果表明, 隨著電刺激時間的延長, SERS信號減弱, 說明細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS的量明顯增加. 該傳感機(jī)制是利用ROS能刻蝕金/銀核殼納米棒的銀殼, 從而使其變薄引起SERS信號減弱. 抗壞血酸(AA)和谷胱甘肽(GSH)兩種抗氧化抑制劑類藥物與電刺激同時運用時, 可觀察到它們會對電刺激過程產(chǎn)生的ROS有清除作用. 該研究發(fā)展了一類用于細(xì)胞內(nèi)ROS檢測的光譜方法, 也為異常的氧化應(yīng)激和腫瘤治療過程中的組合用藥提供了建議.

活性氧； 表面增強(qiáng)拉曼光譜； 電刺激； 原位檢測

生物電場和電流廣泛存在于細(xì)胞中， 在調(diào)節(jié)各種生物過程中起著重要作用. 細(xì)胞內(nèi)紊亂的電活動會引起各種疾?。ㄈ绨d癇、 帕金森病、 心臟病等）. 為了調(diào)整紊亂的電活動， 電刺激（Electrostimulus， ES）成為一種有效的治療方法［7］. 與藥物治療相比， ES是一種快速可控的方法， 可以避免化學(xué)藥物的缺點， 即外源性物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后， 需要較長的作用時間以及產(chǎn)生無法控制的副作用. Qi等發(fā)現(xiàn)ES可導(dǎo)致細(xì)胞色素c的釋放［8］、 Caspase-3的激活［7］和磷酸化絲氨酸的外化［9］， 可加速細(xì)胞凋亡. 因此， ES也有可能成為腫瘤治療的有效手段. ES在導(dǎo)致細(xì)胞凋亡過程中， 細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生是否存在動態(tài)改變， 目前尚未有文獻(xiàn)進(jìn)行探討. 此外， 在ES治療中， 如果同時有一些抗氧化藥物的輔助治療， 是否會對腫瘤治療產(chǎn)生干擾， 這也需要ROS響應(yīng)型探針進(jìn)行原位評價.

由于ROS壽命短、 生理濃度低， 所以檢測和量化ROS具有較高的挑戰(zhàn)性. 目前檢測方法有分光光度法［10］、 熒光［11～13］、 化學(xué)發(fā)光［14］、 電子順磁共振［15，16］、 電子自旋共振波［17～19］和電化學(xué)法［20，21］等. 表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）技術(shù)由于具有獨特的指紋信息、 靈敏度高、 操作簡單、 對生物樣品近乎無損的特點， 在細(xì)胞分析中得到了廣泛應(yīng)用［9］. 由于ROS幾乎沒有拉曼信號， 因此大多采用間接SERS技術(shù)檢測ROS. 目前SERS檢測ROS的方法主要有兩種： （1）基于拉曼報告分子（如對氨基苯硫酚、 4-巰基苯硼酸）與ROS發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生拉曼信號改變進(jìn)行傳感［22，23］； （2）基于SERS物理增強(qiáng)機(jī)制的調(diào)控方法， 即利用ROS刻蝕銀殼并使銀殼變薄導(dǎo)致SERS信號減弱的策略［5］.

本文設(shè)計了具有較好生物相容性的金/銀核殼納米棒SERS活性探針， 利用該探針對ROS響應(yīng)的特性檢測電刺激過程中細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的ROS. 其傳感機(jī)制是利用ROS刻蝕銀殼后使銀殼變薄， 導(dǎo)致SERS信號減弱形成ROS的turn-off檢測方式（Scheme 1）； 研究了抗壞血酸（AA）和谷胱甘肽（GSH）兩種藥物對清除電刺激過程產(chǎn)生ROS的可能性. 本研究發(fā)展了一類新型的ROS檢測納米探針， 揭示了電刺激可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS上調(diào)的現(xiàn)象， 為異常的氧化應(yīng)激用藥提供了建議.

Scheme 1Process of electrostimulus after the probe and cell incubation and SERS sensing of ROS

1 實驗部分

1.1　試劑與儀器

三水合氯金酸（HAuCl4·3H2O， 分析純）、 十六烷基三甲基溴化銨（CTAB， 純度99%）、 十六烷基三甲基氯化銨（CTAC， 純度99%）、 4-巰基苯腈（MBN， 純度96%）和二甲基亞砜（DMSO， 分析純）均購自阿拉丁試劑公司； 硼氫化鈉（NaBH4， 純度98%）購自天津市福晨化學(xué)試劑廠； 抗壞血酸（AA， 純度98%）、 過氧化氫（H2O2， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）和硝酸銀（AgNO3， 分析純）均購自北京化工廠； 0.25% 胰蛋白酶溶液（EDTA）、 牛血清蛋白（FBS）、 細(xì)胞培養(yǎng)基（DMEM， Invitrogen）、 磷酸鹽緩沖溶液（PBS， 0.1 mol/L， pH=7.4）和Hank平衡鹽溶液（HBSS）緩沖溶液（0.1 mol/L）均購自賽默飛世爾生物化學(xué)制品有限公司； 噻唑藍(lán)（MTT， 純度98%）購自Sigma公司； 細(xì)胞組織固定液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%多聚甲醛）購自索萊寶試劑； 活性氧（ROS）檢測試劑盒（DHCFH-DA）購自上海貝博生物科技有限公司； L?還原型谷胱甘肽（GSH， 純度98%）購自Sigma?Aldrich公司； 甲氧基聚乙二醇-硫醇（mPEG-SH， 分子量5000）購自天津紅太陽金博達(dá)生物技術(shù)有限公司； 氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電玻璃購自珠海凱為光電有限公司.

JEM-2100F型透射電子顯微鏡（TEM， 日本電子株式會社）； LAMBDA365型紫外-可見光光度計（UV-Vis， 美國PerkinElmer公司）； Zetasizer Nano ZS型動態(tài)光散射粒度儀（DLS， 英國Malvem公司）； LabRAM Aramis型共聚焦拉曼系統(tǒng)（Raman， 美國Horiba Jobin Yvon公司）； FV1000型共聚焦熒光顯微鏡（日本Olympus公司）； GF-M3000型酶標(biāo)儀（山東高密彩虹分析儀器有限公司）； CHI660E型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器有限公司）.

1.2　SERS納米探針的合成

首先， 根據(jù)文獻(xiàn)［24］方法合成了金納米棒（Au NRs）. 將5.0 mL Au NRs加入16.4 μL 1.0 mmol/L MBN溶液， 攪拌12 h. 離心（6000 r/min， 8 min）去除未反應(yīng)的MBN， 制得MBN@Au NRs粒子.

在攪拌下， 向12 mL 80 mmol/L CTAC溶液中加入1.2 mL 1.8 nmol/L MBN@Au NRs、 0.9 mL 10 mmol/L AgNO3水溶液和0.9 mL 0.1 mol/L AA溶液. 將該混合液恒溫加熱至60 ℃保持反應(yīng)3 h. 將該反應(yīng)液離心（5000 r/min， 5 min）洗滌. 向沉淀中加水至4.0 mL， 重懸浮可得Au/MBN/Ag NRs.

為了提高Au/MBN/Ag NRs的生物相容性， 在Au/MBN/Ag NRs表面修飾了mPEG-SH分子. 向3 mL Au/MBN/Ag NRs中加入3 μL吐溫后， 攪拌20 min. 400 r/min離心5 min去除多余的吐溫； 然后加入 3 μL 1 mmol/L mPEG-SH溶液， 攪拌12 h后離心（4000 r/min， 5 min）清洗； 將獲得的探針重懸浮于1.0 mL水中， 得到1.0 mg/mL SERS納米探針（Au/MBN/Ag NRs@PEG）.

1.3　細(xì)胞毒性實驗

采用 MTT實驗來評估SERS探針對細(xì)胞的毒性. 首先， 將乳腺癌細(xì)胞（MCF-7）和肝癌細(xì)胞（HepG2）分別接種在96孔微量滴定板上. 向每個孔中加入200 μL細(xì)胞， 然后在37 ℃下孵育12 h. 使用冷PBS緩沖溶液洗滌細(xì)胞3次. 將不同濃度的SERS納米探針（0， 0.1， 0.2， 0.4 mg/mL， 各100 μL）分別加入到孔中. 將細(xì)胞放入細(xì)胞培養(yǎng)箱中， 在37 ℃下培養(yǎng)24 h. 用冷PBS緩沖溶液洗滌細(xì)胞3次后， 向每個孔中加入5 μL 5.0 mg/mL MTT溶液， 之后在37 ℃下孵育4 h. 除去上述含有MTT的培養(yǎng)基后， 向孔內(nèi)加入150 μL DMSO. 通過酶標(biāo)儀微孔板讀取器讀取578 nm下的吸光度值. 以不加納米探針的細(xì)胞組作為空白對照組. 利用公式[細(xì)胞存活率(%)=(實驗值OD均值/對照組OD均值)×100%， 其中， OD為吸光度]求出存活率， 并將其做出柱狀圖.

1.4　ROS對SERS納米探針的刻蝕效應(yīng)

在水溶液加入H2O2來驗證SERS納米探針用于ROS傳感的可行性. 首先配制不同濃度（0， 200， 400， 600和1000 μmol/L）的H2O2溶液. 將20 μL H2O2溶液與20 μL SERS納米探針在室溫下混合反應(yīng)30 min. 將樣品滴在玻璃片上， 在60 ℃下烘干. 用激光共聚焦拉曼系統(tǒng)采集樣品處的SERS光譜. 采集15個點的SERS光譜做平均譜處理.

1.5　電刺激后細(xì)胞中ROS的熒光成像檢測

如Scheme 1所示， 首先將MCF-7細(xì)胞接種于ITO導(dǎo)電玻璃上， 然后保持0.3 V的電壓， 電刺激不同的時間（0， 1， 3， 5， 7和9 min）. 待刺激結(jié)束后30 min， 加入2 μL DCFH-DA熒光探針孵育30 min， 用PBS緩沖溶液洗滌3次， 加入細(xì)胞組織固定液固定20 min， 再用PBS緩沖溶液洗滌3次. 用激光共聚焦熒光顯微鏡進(jìn)行熒光成像（激發(fā)波長為488 nm）. DCFH-DA熒光探針本身沒有熒光. 當(dāng)進(jìn)入細(xì)胞后被細(xì)胞內(nèi)的酯酶水解生成DCFH. 而DCFH不能穿透細(xì)胞膜， 使探針被標(biāo)記到細(xì)胞內(nèi). 在ROS存在下， DCFH被氧化生成發(fā)綠色熒光的DCF. 綠色熒光強(qiáng)度與細(xì)胞內(nèi)的ROS水平成正比.

1.6　電刺激后細(xì)胞及細(xì)胞內(nèi)ROS的SERS檢測

將ITO玻璃（直徑1 cm的正方形）平放于六孔板內(nèi)， 將細(xì)胞接種于ITO玻璃上. 待細(xì)胞增殖至ITO玻璃的80%， 向2 mL培養(yǎng)基中加入SERS活性探針（1.0 mg/L， 800 μL）. 放入細(xì)胞培養(yǎng)箱中孵育6 h后， 用PBS緩沖溶液洗滌3次.

通過Scheme 1所示的裝置， 對ITO玻璃上的細(xì)胞進(jìn)行不同的時間（0， 1， 3， 5， 7和9 min）的電刺激， 電壓設(shè)定為0.3 V. 等待30 min之后， 用PBS緩沖溶液洗滌3次. 加入細(xì)胞組織固定液反應(yīng)20 min， 再用PBS緩沖溶液洗滌3次. 最后， 用激光共聚焦拉曼系統(tǒng)對電刺激后浸泡在PBS緩沖溶液（pH=7.4）中的細(xì)胞進(jìn)行SERS檢測. 每組樣品選取10個以上細(xì)胞， 每個細(xì)胞上采集5～8個點的SERS光譜， 做平均譜處理.

1.7　藥物消除電刺激作用的檢測

首先將細(xì)胞接種于ITO玻璃上， 加入不同濃度的SERS探針孵育6 h后， 用PBS緩沖溶液洗滌3次. 然后加入不同濃度的AA與谷胱甘肽（GSH）（0.1， 0.5， 1.0 mmol/L）孵育20 min， 之后用PBS緩沖溶液洗滌3次. 采用0.3 V的電壓進(jìn)行電刺激5 min. 等待30 min之后， 采用PBS緩沖溶液洗滌3次， 加入細(xì)胞組織固定液反應(yīng)20 min， 再用PBS緩沖溶液洗滌3次. 最后， 用激光共聚焦拉曼系統(tǒng)對電刺激后的細(xì)胞進(jìn)行SERS檢測.

2 結(jié)果與討論

2.1　SERS納米探針的表征

采用了銀包金納米棒的核殼型納米粒子作為SERS探針. 在銀殼和金核之間引入了拉曼報告分子MBN. 首先， 對合成的探針進(jìn)行了紫外-可見光譜表征. 如圖1（A）所示， 制備的金納米棒的等離激元共振峰位于645 nm處. 修飾MBN后， Au NR的等離激元共振峰從645 nm藍(lán)移至635 nm. 在此基礎(chǔ)上包裹銀殼層后， 在400 nm左右出現(xiàn)了銀的吸收帶. 修飾mPEG后， Au/MBN/Ag NRs藍(lán)移了2 nm.

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)

采用動態(tài)光散射粒度儀對Au NRs， MBN@Au NRs， Au/MBN/Ag NRs和Au/MBN/Ag NRs@PEG進(jìn)行了表征. 由圖1（B）中電位測量結(jié)果可見， 修飾MBN前后的Au NRs、 合成的Au/MBN/Ag NRs以及修飾mPEG后的Au/MBN/Ag NRs都帶正電. MBN@Au NRs（7.2 mV）的電位相較于AuNRs（6.4 mV）增大了0.8 mV， 表明MBN@Au NRs表面的化學(xué)環(huán)境發(fā)生微小變化， MBN成功地修飾在Au NRs上. Au/MBN/Ag NRs的電位（9.4 mV）相較于MBN@Au NRs（7.2 mV）增大了2.2 mV. Au/MBN/ Ag NRs@PEG的電位（4.1 mV）相較于Au/MBN/Ag NRs的電位（9.4 mV）減小了5.3 mV， 表明 m-PEG成功修飾在Au/MBN/Ag NRs的表面.

對MBN@Au NRs和Au/MBN/Ag NRs進(jìn)行了SERS表征. 圖1（C）顯示， Au/MBN/Ag NRs的SERS信號強(qiáng)度比MBN@Au NRs明顯增強(qiáng). 根據(jù)文獻(xiàn)［25］對拉曼光譜峰進(jìn)行歸屬可知， 587 cm-1處的峰為 Au—CN搖擺振動， 1072 cm-1處的峰為苯環(huán)C—C面外彎曲振動， 1178 cm-1處的峰為C—N伸縮振動， 1580 cm-1處的峰為C=C伸縮振動， 2226 cm-1處的峰為C≡N伸縮振動.

采用TEM對獲得的金納米棒以及Au/MBN/Ag NRs進(jìn)行表征. 由圖2（A）可見， 所合成的Au NRs的平均尺寸約為55 nm×23 nm. 圖2（B）為Au/MBN/Ag NRs的TEM照片. 可見， 在AuNRs的外側(cè)實現(xiàn)了一層平均厚度為6 nm的銀殼包裹. 所獲得Au/MBN/Ag NRs的尺寸為60 nm×38 nm.

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

2.2　納米探針的毒性

研究選取了MCF-7和HepG2進(jìn)行細(xì)胞相關(guān)實驗. 首先， 采用MTT實驗評價了制得的SERS納米探針對細(xì)胞的毒性. 以不加SERS納米探針組為控制組. 圖3（A）比較了修飾了mPEG-SH前后MCF-7細(xì)胞存活率的差異. 通過對比可發(fā)現(xiàn)， Au/MBN/Ag NRs@PEG與細(xì)胞共孵育后的存活率明顯提高， 說明PEG能提高生物相容性. 在Au/MBN/Ag NRs@PEG的濃度為0.4 mg/mL時， 細(xì)胞存活率達(dá)到80%. 當(dāng)再增加探針的濃度時， 細(xì)胞存活率低于80%. 因此， 選取0.4 mg/mL的Au/MBN/Ag NRs@PEG探針濃度進(jìn)行后續(xù)實驗. 圖3（B）為HepG2與不同濃度（0， 0.1， 0.2， 0.4 mg/mL）的Au/MBN/Ag NRs@PEG孵育24 h后的細(xì)胞存率活柱狀圖， 可見， 隨著Au/MBN/Ag NRs@PEG濃度的增加， 細(xì)胞的存活率降低， 并且當(dāng)Au/MBN/Ag NRs@PEG濃度為0.4 mg/mL時， 細(xì)胞的存活率在80%以上， 說明探針具有低毒性.

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)

2.3　ROS對納米探針的刻蝕作用

已有研究表明， ROS對銀殼有刻蝕的作用， 導(dǎo)致銀殼變薄， SERS信號減弱［5，26］. 利用H2O2代表ROS， 進(jìn)行ROS傳感可行性的評價. 向含有0.4 mg/mL探針的細(xì)胞培養(yǎng)基中加入不同濃度的H2O2， 進(jìn)而評價其對銀殼層的刻蝕效果. 如圖4（A）所示， 隨H2O2濃度的增加紫外吸收發(fā)生藍(lán)移. 由于銀殼變薄， 導(dǎo)致其等離激元帶位移， 且金納米棒與銀殼之間的耦合也減弱， 進(jìn)一步降低拉曼報告分子的SERS信號［26］. 因此， 可以通過SERS光譜強(qiáng)度的下降來傳感H2O2. 由圖4（B）可知， 隨著H2O2濃度的增加， SERS信號逐漸減弱. 圖4（C）為SERS光譜在1072 cm-1處的強(qiáng)度圖， 同樣體現(xiàn)出SERS信號隨H2O2濃度的增加而減弱的規(guī)律. 該結(jié)果顯示， 利用Au/MBN/Ag NRs@PEG對H2O2的最低檢測濃度為200 μmol/L. TEM照片顯示， 經(jīng)1.0 mmol/L H2O2刻蝕后銀殼變薄， 由原來的6.0 nm降為3.5 nm左右［圖4（C）插圖］.

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)

2.4　電刺激后細(xì)胞中ROS的熒光成像和SERS檢測

為了驗證細(xì)胞經(jīng)過電刺激后會產(chǎn)生ROS， 使用ROS檢測試劑盒（DCFH-DA）檢測細(xì)胞內(nèi)的ROS， 并通過共聚焦熒光成像來觀察ROS產(chǎn)生量. 圖5（A）～（F）為MCF-7細(xì)胞經(jīng)過不同的電刺激時間（0， 1， 3， 5， 7， 9 min）后， 加入DCFH-DA染料的共聚焦熒光成像圖片. 可見， 隨著電刺激的時間延長， 氧化產(chǎn)物DCF的熒光強(qiáng)度增強(qiáng). 圖5（G）為熒光強(qiáng)度的統(tǒng)計圖. 可見， 隨著電刺激時間增加， ROS產(chǎn)生得越來越多.

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)

將SERS活性探針分別與MCF-7和HepG2細(xì)胞共孵育6 h后， 對細(xì)胞進(jìn)行了不同時間的電刺激. 刺激后產(chǎn)生的ROS對SERS活性探針進(jìn)行刻蝕反應(yīng). 響應(yīng)30 min后， 用激光共聚焦拉曼系統(tǒng)檢測了該過程中探針的SERS信號變化， 從而探測ROS含量的波動變化. 圖6（A）和（C）分別為MCF-7和HepG2細(xì)胞上獲得的電刺激后SERS探針信號. 隨著電刺激時間的延長， SERS信號強(qiáng)度減弱. 圖6（B）和（D）分別為SERS光譜在1072 cm-1處的柱狀圖. 同樣顯示出細(xì)胞隨著電刺激時間的延長， SERS信號強(qiáng)度減弱， 證明了ROS的產(chǎn)生量變大， 與DCFH-DA染料的共聚焦熒光成像結(jié)果（圖5）的規(guī)律一致. 由此可以說明， 電刺激會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部ROS上調(diào)， 達(dá)到殺傷腫瘤的目的. 利用平均熒光強(qiáng)度比的計算， 可得電刺激9 min后ROS的產(chǎn)生量相較未受電刺激的細(xì)胞內(nèi)部， 可提高35%.

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

2.5　外加藥物抵抗電刺激的副作用

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

研究表明， 抗壞血酸和谷胱甘肽等物質(zhì)能有效清除ROS［6］. 為了探討這些藥物與ES腫瘤治療過程中是否可以同時使用， 加入不同濃度的AA與GSH與細(xì)胞共孵育， 再對HepG2細(xì)胞進(jìn)行5 min電刺激， 對刺激后的細(xì)胞內(nèi)ROS水平進(jìn)行SERS檢測， 如圖7（A）和（C）所示. 將未加藥物與加1 mmol/L藥物在1072 cm-1處的平均SERS強(qiáng)度［圖7（B）和（D）］進(jìn)行對比， 可見， HepG2細(xì)胞隨著藥物濃度的增加， SERS信號強(qiáng)度增強(qiáng)， 證明了抗壞血酸和谷胱甘肽等物質(zhì)能一定程度抵消掉生成的ROS. 兩種藥物相比可知， GSH的抗氧化作用更為顯著. 將加1 mmol/L GSH與未加藥物組相比可知， 該濃度GSH可抵消63%的電刺激過程中細(xì)胞產(chǎn)生的ROS. 結(jié)果證明， 抗氧化藥物的使用會削弱腫瘤ES治療的效果. 但對異常的氧化應(yīng)激過程中產(chǎn)生的ROS的消除將有一定幫助.

3 結(jié) 論

設(shè)計了通過金/銀核殼納米棒SERS探針， 實現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)ROS的檢測. 該探針在0.4 mg/mL濃度下具有低毒性. 將該探針與細(xì)胞共培養(yǎng)， 可以使其較好地內(nèi)化進(jìn)入細(xì)胞， 可進(jìn)行胞內(nèi)檢測. 將該探針用于電刺激治療過程中細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生ROS的評價， 結(jié)果證實， 電刺激能增加細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)生， 且隨著電刺激時間的延長， 細(xì)胞內(nèi)ROS的產(chǎn)量明顯增加. 抗壞血酸（AA）和谷胱甘肽（GSH）兩種藥物可削弱電刺激腫瘤治療過程產(chǎn)生的ROS， 與未加藥物的ROS產(chǎn)量相比， 可抵消63%的ROS， 對腫瘤的治療有一定的干預(yù)作用. 該研究將ES治療與ROS產(chǎn)生建立了直接關(guān)聯(lián)， 也從一定程度上證實， ES對癌癥的治療機(jī)制有可能與其ROS產(chǎn)生相關(guān). 抗氧化藥物的運用將一定程度上抵消了細(xì)胞內(nèi)的ROS產(chǎn)生量， 可用于異常的氧化應(yīng)激過程中產(chǎn)生ROS的消除， 但對ES治療腫瘤的殺傷力有一定的削弱， 為ES治療中輔助用藥提供了建議. 同時可證明， 電刺激可引發(fā)細(xì)胞走向凋亡， 有可能成為腫瘤治療的一種方式.

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

CHENJiamin1，2， QUXiaozhang1，2，4， QIGuohua3， XUWeiqing1，2， JINYongdong3， XUShuping1，2*

（，，，，130012，；，，，130022，；，130031，）

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.

Reactive oxygen species； Surface-enhanced Raman spectroscopy； Electrostimulus；Detection

O657.37

A

10.7503/cjcu20220033

2022-01-13

2022-02-18.

徐抒平, 女, 博士, 教授, 主要從事表面增強(qiáng)拉曼光譜方面的研究. E-mail: xusp@jlu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號: 21873039, 22173035)、 2021年度應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室開放基金(批準(zhǔn)號: SKLAO2021001A)和吉林大學(xué)學(xué)科交叉融合創(chuàng)新項目(批準(zhǔn)號: JLUXKJC2020106)資助.

Supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 21873039, 22173035), the Open Project of State Key Laboratory of Applied Optics, China(No.SKLAO2021001A14) and the Interdisciplinary Integration Innovation Project of Jilin University, China(No.JLUXKJC2020106).

（Ed.： Y， K， S）