單量子點示蹤技術描繪內(nèi)質(zhì)網(wǎng)界定的區(qū)域化擴散

擁擠的細胞內(nèi)環(huán)境影響擴散介導的細胞過程，例如代謝、信號傳導以及運輸?shù)�。在非均相的細胞漿內(nèi)，針對大分子擴散阻滯的現(xiàn)象已有研究，但是有關擴散分布的細節(jié)及其起源尚不清楚。中科院物理所Peng-Ye Wang課題組基于量子點（Quantum Dots, QDs）的單顆粒示蹤（Single-particle tracking, SPT）技術，描繪了單個細胞內(nèi)的擴散圖譜，揭示了細胞內(nèi)環(huán)境的不均一性，并發(fā)現(xiàn)量子點在細胞漿內(nèi)的區(qū)域化擴散，而該區(qū)域化的形成則來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（Endoplasmic Reticulum, ER）微管網(wǎng)絡所界定的微米級區(qū)劃。

Hui Li等利用胞飲囊泡的滲透裂解方法，將量子點導入A549細胞，量子點在細胞漿內(nèi)各自分散，沒有包封于內(nèi)吞通路或囊泡中（圖1）；然后以單顆粒示蹤技術檢測量子點的擴散系數(shù)，發(fā)現(xiàn)該系數(shù)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)密度呈顯著負相關，擴散系數(shù)的峰點與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)密度的低點相一致（圖2）；造成量子點區(qū)域化擴散的原因是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)微管網(wǎng)絡的阻礙，若以藥物破壞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結構，量子點擴散范圍增加；因此，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結構使細胞內(nèi)擴散更加一致、有序。總之，該研究證實了量子點在細胞漿的區(qū)域化擴散，是關于細胞內(nèi)大分子擴散運動的新發(fā)現(xiàn)，對于細胞內(nèi)擴散分布的描繪，可用于基于納米顆粒的藥物遞送與治療的策略研發(fā)。

圖1 將量子點遞送入A549細胞，并示蹤單個量子點以檢測擴散系數(shù)。

（a）A549細胞的明場（左圖）及熒光（右圖）圖像。通過胞飲過程，鏈霉親和素（Streptavidin, SA）耦聯(lián)的量子點QD655遞送入細胞漿，細胞形態(tài)保持正常，量子點在細胞漿彌散分布。黃線勾畫出細胞輪廓。（b）SA-QD655（紅色）與SA-QD525（綠色）共同遞送入A549細胞。（c）單量子點相對時間的位置。時間分辨率為30ms，箭頭指示靜止時段，其中小圖為對應的量子點成像，白線顯示量子點的運行軌跡。（d）與c圖中量子點軌跡對應的擴散系數(shù)D、指數(shù)a以及對應不同時間的強度，箭頭指示靜止時段。（e）在23個A549細胞中全部SA-QD655的平均MSD，其中小圖為隨機選取的100個樣品的MSD曲線。（f）量子點固定于玻璃上，或于Ficoll 70（30wt%）或細胞中擴散，描繪量子點的時間指數(shù)a的分布。

圖2 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）使細胞內(nèi)量子點呈現(xiàn)區(qū)域化擴散。

（a）在A549細胞的第一層面，綠色熒光蛋白（GFP）標記的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與量子點（紅色）的合圖。（b）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)熒光成像和擴散圖轉(zhuǎn)換為灰階圖像以進行定量比較。（c）b圖中劃線區(qū)域的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)熒光強度與擴散系數(shù)Dp呈負相關。（d）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)熒光強度及擴散系數(shù)的相關系數(shù)。（e）a圖方框區(qū)域內(nèi)量子點軌跡（紅色）與GFP-ER（綠色）疊加的系列圖像。（f）由e圖軌跡描繪的擴散圖譜。（g）GFP-ER（綠色）與量子點（紅色）在第二層面的合圖。黃色線條顯示細胞邊界，核區(qū)域以N標注。

文獻來源：

Li H, Dou SX, Liu YR, Li W, Xie P, Wang WC, Wang PY. Mapping intracellular diffusion distribution using single quantum dot tracking: compartmentalized diffusion defined by endoplasmic reticulum. J Am Chem Soc. 2015;137(1):436-44.