清华大学何彦教授: 利用暗场显微镜实时观察金纳米棒在细胞膜上扩散的动态异质性

细胞膜是细胞的边界，调控细胞与外界环境的交流。细胞膜由磷脂、胆固醇和各种膜蛋白组成，拥有神秘而复杂的结构。目前，已有多种方法被用来研究细胞膜的结构组成，包括膜溶解提取法、质谱法、电泳法、电子显微镜成像等。但这些方法都是从整体的、平均的角度来分析细胞膜的组成和结构，不能实时分析细胞膜结构的时空复杂性。近年来，能定位单个探针粒子的单颗粒示踪技术成为研究分析复杂的细胞膜体系的重要工具。

最近，清华大学化学系何彦教授与湖南大学化学化工学院熊斌副教授、青岛大学化学化工学院王宗花教授合作利用金纳米棒光学偏振性，结合暗场显微镜发展了一种能同时追踪金纳米棒平动和转动的方法。该方法的原理是：单个金纳米棒在暗场成像中为一彩色像斑，且该像斑的强度与金纳米棒与光轴之间的角度有关（极化角），故通过金纳米棒在彩色相机R、G、B任意通道的散射强度均可计算其极化角（Figure 1）。本文中，作者以G通道值为内参，利用（R-G）计算金纳米棒的极化角以提高计算精准度。

Figure 1  Schematic diagram of the optical path of upright dark field microscopy and the dual-channel difference method for calculating polar angle (θ) of AuNRs.

应用该方法，作者进一步分析了金纳米棒在细胞膜上扩散过程中的动力学特征。为减少金纳米棒因特异性结合细胞膜表面受体的限制，作者将细胞膜低表达的CD-19抗体修饰在金纳米棒表面。研究结果表明，金纳米棒在细胞膜上经历随机的、不等时长的受限运动和长程跳跃运动（Figure 2），这种跳跃扩散行为导致金纳米棒的平动动力学统计不遵循高斯统计分布，而呈现“尖峰+拖尾”分布 。金纳米棒在细胞膜上非高斯统计的平动异质性是动态的picket-fence细胞膜结构导致的。同时，金纳米棒在细胞膜上扩散的动力学行为也因为复杂的细胞膜结构而变得复杂。单颗粒轨迹的时序信息分析结果表明不仅其平动呈现时空异质性，其转动也呈现时空异质性 （Figure 3）。研究各向异性金纳米棒与细胞膜的相互作用为分析细胞膜结构提供了新方向。该单颗粒示踪技术还可以应用到其他复杂的生物体系的研究中。

Figure 2  Representative trajectories of CD-19 modified AuNRs diffusing on MCF-7 cell membrane. Red trajectories indicate mobile AuNRs and black curves indicate “nearly immobile” AuNRs.

Figure 3  Translational and rotational dynamics of 4 typical CD-19-AuNRs diffusing on MCF-7 cell membrane, and the diagrams of interaction manners of CD-19-AuNRs with cell membrane.

近日，该研究结果以“Real-time observation of dynamic heterogeneity of gold nanorods on plasma membrane with dark field microscopy”为题在线发表于Science China Chemistry (2019, DOI: 10.1007/s11426-019-9444-9).

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