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ミセル化ナノ粒子の細胞内輸送経路を決定するpHとグルタチオンのレシオメトリック蛍光マッピング
Ratiometric Fluorescent Mapping of pH and Glutathione Dictates Intracellular Transport Pathways of Micellar Nanoparticles.
PMID: 32678575 DOI: 10.1021/acs.biomac.0c00872.
抄録
ミセル化ナノ粒子の細胞内輸送経路を可視化することは、ナノ材料の細胞内挙動を理解し、内包化機構を解明する上で非常に重要である。ここでは、ミセル化ナノ粒子（NP）の設計を合理化し、細胞機能を正常に維持するために必要な2つのパラメータである細胞内pHとGSHのレシオメトリック蛍光マッピングを可能にした。具体的には、pH感受性の高いナフタリイミド系プローブ（NPI）とpH不活性のローダミンB（RhB）をチオラクトン化学を用いて二重親水性ブロック共重合体（DHBC）に共有結合的に標識し、レドックス応答性の高いジスルフィド結合を持つ1分子にNPIとRhBを共有結合的に結合させることで、細胞内のpHとGSHのマッピングを可能にした。二重標識したDHBCは、酸性pHでは青/橙色の二重発光を示したが、中性pHでは、さらにNPI部位の脱プロトン化により緑/橙色の二重発光に変換され、中性pHではGSH存在下ではGSH介在下でジスルフィド結合の開裂によりNPIドナーとRhBアクセプター間のフェルスター共鳴エネルギー移動（FRET）効率が低下したために唯一の緑色発光に変化した。これらの顕著なレシオメトリックな蛍光変化は、細胞内pHとGSHだけでなく、内在化NPの細胞内輸送経路の同時マッピングを可能にしました。
Visualization of intracellular transport pathways is crucial to investigate the internalization mechanism and understand the intracellular behavior of nanomaterials. Herein, we rationalized the design of micellar nanoparticles (NPs) for ratiometric fluorescent mapping of intracellular pH and GSH, two essential parameters for maintaining normal cellular functions. Specifically, pH-sensitive naphthalimide-based probe (NPI) and pH-inert rhodamine B (RhB) were covalently labeled to double hydrophilic block copolymers (DHBCs) using the thiolactone chemistry, enabling the covalent attachment of NPI and RhB to one molecule with a redox-responsive disulfide linkage. The dually-labeled DHBCs exhibited blue/orange dual emissions in acidic pH, which was further converted into green/orange dual emissions in neutral pH due to the deprotonation of NPI moieties and the sole green emission in the presence of GSH at neutral pH because of the decreased Förster resonance energy transfer (FRET) efficiency between NPI donor and RhB acceptor as a result of GSH-mediated cleavage of disulfide bonds. These remarkable ratiometric fluorescence changes allowed for not only the simultaneous mapping of the intracellular pH and GSH but also the intracellular transport pathways of internalized NPs.