本文要点：目前，可通过植物纳米离子传感器与专门设计的纳米探针连接，来实时监测植物中的信号分子，这些纳米探针已被公认为独立于物种的分析工具。作者发现了一种有效的NIR-II荧光MOF纳米探针作为植物纳米离子传感器，用于实时监测植物中的三磷酸腺苷（eATP）信号。这些纳米探针具有优异的特性使得能够在植物环境胁迫下以优异的灵敏度和选择性非破坏性地实时研究eATP信号传导波动。植物纳米离子传感器作为一组新兴的工具，用于快速和大规模的植物表型研究复杂信号网络。
三磷酸腺苷（ATP）是所有生物体的通用能量来源；它通常以高浓度被限制在细胞中，并在某些刺激（创伤、炎症或肿瘤）下释放到细胞外基质中。释放到细胞外的ATP（eATP）被认为是调节细胞生长并诱导动物和植物细胞中的免疫应答的信号传导分子。植物纳米离子传感器的概念首先由Strano等人提出，并已应用于植物信号分子的体内检测，其中将设计的具有第二近红外荧光的纳米探针注入活体植物中，用于监测信号分子动态。
作者设计了一种基于IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针的新型植物纳米离子传感器，用于跟踪植物叶片切片中eATP的时空动态。将疏水性近红外染料（IR-1061）嵌入两亲聚合物（DSPE-mPEG，2000）层中以形成稳定的水溶性胶束。金属有机骨架（MOF）ZIF-90在这些胶束的表面上生长，导致荧光强度增强。将IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针注射到菠菜叶中，并且由于它们的尺寸而位于细胞外基质中。当ZIF-90在体内被eATP分解时，荧光根据ATP浓度而降低。此外，植物纳米离子传感器能够实时监测由环境胁迫，特别是创伤引起的各种植物中的eATP波动。
通过用两亲聚合物（DSPE-mPEG，2000）和MOF（ZIF-90）连续包封疏水NIR-II染料（IR-1061）来合理设计纳米探针（图1a）。IR-1061是典型的水不溶性聚甲川NIR-II荧光团（图1b），由于与水分子的猝灭相互作用，其存在水溶液中亮度有限的问题。因此，将其包封在两亲性聚合物DSPE-mPEG 2000中（图1b）以形成IR-1061胶束的亲水性纳米颗粒。此外，在 IR-1061 胶束上涂覆了对ATP敏感的MOF层ZIF-90，生成了具有明亮NIR-II荧光发射的IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针。
IR-1061胶束平均尺寸为55.2 nm，在水溶液中显示出良好的溶解度（图1c）。IR-1061胶束在水溶液中的吸收峰和发射峰分别为962 nm和1004 nm，由于IR-1061分子在胶束中的局部环境与在甲醇中的局部环境不同，其与在甲醇中的IR-1061相比均蓝移（图1d）。IR-1061胶束具有较好的光稳定性，在808 nm激光照射下10 min，IR-1061胶束的发光强度保持在90%以上。
IR-1061纳米探针通过MOF ZIF-90在IR-1061胶束周围生长来制备。使用Zn 2+与2-ICA的比例为4：25和10 μM IR-1061胶束的优化参数，制备了尺寸为266.1 nm的均匀和分散的IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针（图1 e和f）。IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针的PXRD峰与实验ZIF-90和模拟ZIF-90的PXRD峰一致，表明IR-1061胶束的包封对ZIF-90的晶格畸变具有可忽略的影响（图1g）。
图1
低量子产率是存在于NIR-II荧光团中的一般缺点。IR-1061作为典型的NIR-II荧光团，在水溶液中显示有限的亮度。作者发现，在涂覆ZIF-90后，探针显示出与IR-1061胶束相比显著的16.6倍荧光增强，伴随着NIR-II荧光峰从1004 nm蓝移至924 nm（图2a和b）。该现象不同于传统的看法，即在荧光分子周围涂覆MOF将掩盖荧光发射。为了研究这种荧光增强的机制，作者使用相同的金属源和不同的有机配体与ZIF-90合成了几种MOF以封装IR-1061胶束（图2d）。
与IR-1061胶束相比，IR-1061胶束@ZIF-8纳米颗粒的荧光在被ZIF-8覆盖后降低，而IR-1061胶束@ZIF-93纳米颗粒的荧光在包封在ZIF-93中后增强3.3倍（图2c）。根据实验结果，推测MOFs中的醛基在增强荧光中起着至关重要的作用，NIR-II荧光团的供体上的吸电子或供电子基团的修饰能够调节荧光团发射强度。为了进一步证实，将具有供电子羟基的MOF-74涂覆在IR-1061胶束上，并且相应的荧光也降低（图2c）。通过将荧光团封装到具有吸电子基团的MOF中来增强NIR-II荧光团的亮度是一种新颖的策略。此外，研究了IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针在水溶液中的NIR-II荧光稳定性。纳米探针在水溶液中的荧光发射在24小时监测期间相当稳定（图2 e和g）。
图2
此外，将IR-1061胶束@ZIF-90注射到3周龄菠菜叶的叶片中，以显示纳米探针在活植物中的活力（图3a）。通过浸润叶的NIR-II显微成像，IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针集中在叶的气孔和细胞外基质上，表明通过叶气孔运输并定位在叶的细胞外基质中（图3b）。定位于细胞外的纳米探针能够检测创伤诱导的细胞外ATP产生。渗透到叶子中的IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针的NIR成像表现出强烈且清晰的NIR信号（图3a）。近红外信号显示15 h的背景波动可忽略不计，表明纳米探针在植物复杂基质中的稳定性质。
通过测量植物体内外源ATP引发的IR-1061胶束@ZIF-90的近红外荧光，首次评价了IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针用于体内ATP标记的可行性。将不同浓度的三磷酸腺苷(ATP)的IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针渗透到叶片中，获得近红外荧光图像。随着ATP浓度的增加，IR-1061胶束@ZIF-90的NIR-II发射强度逐渐降低(图3C和d)。ATP浓度在0至100 μM范围内与IR-1061胶束@ZIF90的荧光强度之间存在线性关系（图3e）。这表明IR-1061胶束@ZIF-90纳米棒能够检测活植物中ATP的异常波动。
图3
在非生物胁迫下，如受伤，ATP从植物细胞中释放出来，并通过转运蛋白、胞吐作用和受伤的细胞质膜导致细胞外基质中eATP浓度增加（图4a）。eATP是触发植物中随后反应的信号分子。因此，监测eATP是感知植物生理状况的有效方法。作者检测了菠菜创伤产生的eATP（图4 b）。在使用微针阵列施加创伤应激后，NIR-II强度迅速降低，而在没有创伤的情况下，用IR-1061胶束@ ZIF-90纳米探针包埋的植物叶的对照侧表现出可忽略的信号响应（图4 b和c）。这种明显的信号差异可能来源于植物在创伤胁迫下细胞外基质中eATP的增加。将ATP清除剂（腺苷三磷酸酶，ATP酶）引入植物叶中以进一步证实上述eATP诱导的信号（图4d）。与没有ATP酶处理的对照样品相比，ATP酶的应用显著降低了NIR荧光强度变化（图4 e），这是由于ATP酶对由于创伤应激而释放的eATP的分解。此外，由于IR-1061胶束@ZIF-90纳米探针在复杂植物基质中的稳定性质，纳米探针能够重复监测创伤信号。当叶片的相同部位重复受伤时，纳米探针在每次受伤处理后显示出连续且相似的特征性反应（图4f），表明纳米探针用于实时监测活植物中的eATP信息的可能性。
图4
参考文献
Qiu Q, Sun S, Yuan H, et al. Second near-infrared fluorescent Metal-Organic framework sensors for in vivo extracellular adenosine triphosphate monitoring.Biosens Bioelectron. Published online February 7, 2024. doi:10.1016/j.bios.2024.116114
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