NH₃是细胞的谷氨酰胺代谢产生的有毒副产物。细胞外过量的NH₃与肿瘤密切相关。由于肿瘤细胞的异常代谢，肿瘤细胞的线粒体产生α-酮戊二酸进入三羧酸循环，α-酮戊二酸由谷氨酰胺通过两次脱氨基反应生成，NH₃作为副产物释放到细胞膜外。由于细胞释放小分子代谢物浓度的快速波动和稀释，导致其检测困难。而传统的色谱质谱技术一般聚焦于大分子代谢物的检测，并且检测通常需要大体积的细胞培养基，因此实时监测细胞释放的小分子代谢物面临挑战。

近期，清华大学林金明教授（点击查看介绍）课题组设计了一种具有良好生物相容性的聚合物封装的液晶微滴，可固定于细胞膜表面，高灵敏度、高选择性地实时监测细胞/单细胞释放的目标分子或者离子。将液晶E7与4-戊基联苯-4'-羧酸（PBA）掺杂，封装在层层自组装的聚合物微胶囊中，合成这种液晶微滴（P-E7_PBA）。P-E7_PBA聚合物层外表面的氨基有利于其固定在负电荷的细胞膜表面。固定在细胞膜表面的P-E7_PBA实时特异性响应细胞释放的NH₃，发生从Radial到Bipolar的构象变化。

图1.固定在细胞表面的P-E7_PBA响应细胞释放的NH₃发生构象变化

P-E7_PBA发生构象变化归因于与E7掺杂的PBA响应细胞周围的NH₄⁺（细胞生理pH下，99%的NH₃以NH₄⁺存在），诱导液晶分子取向发生变化。为了使P-E7_PBA特异性响应NH₃，需要优化液晶微滴的最适工作pH。乳酸、抗坏血酸、混合酸性氨基酸以及多种金属离子的干扰试验证明P-E7_PBA在最适工作pH条件下特异性响应NH₃。而且，P-E7_PBA对NH₃响应灵敏快速，响应浓度低至1×10^-6 M。在最适工作pH条件下，固定在正常细胞（HUVEC）表面的P-E7_PBA始终维持Radial的构象，而肿瘤细胞（MCF7、U87、Caco-2）表面的P-E7_PBA发生从Radial到Bipolar的构象变化，并表现出不同的响应时间。另外，P-E7_PBA对单细胞水平的NH₃的响应反映了P-E7_PBA的高灵敏度以及在评估单细胞异质性方面的广阔前景。

图2. P-E7_PBA对pH的响应以及对不同细胞系的细胞微环境的响应

图3. 最适工作pH条件下， P-E7_PBA响应不同细胞系释放的NH₃

图4. 不同L-谷氨酰胺浓度下， P-E7_PBA对不同肿瘤细胞系释放的NH₃的响应时间的差异

图5. P-E7_PBA对单细胞水平的NH₃的响应

这一成果近期发表在Advanced Science 上，清华大学化学系博士后Mashooq Khan博士和博士生李玮玮为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发项目（2017YFC0906800）以及国家自然科学基金（Nos. 21435002, 21727814，21621003）的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Real-time imaging of ammonia release from single live cells via liquid crystal droplets immobilized on the cell membrane

Mashooq Khan, Weiwei Li, Sifeng Mao, Syed Niaz Ali Shah, Jin-Ming Lin*

Adv. Sci., 2019, DOI: 10.1002/advs.201900778

导师介绍

林金明

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