表面增强拉曼光谱法在细胞氧化应激检测过程中的应用_杨星瑞.pdf

第3 4卷 第4期光 散 射 学 报V o l.3 4 N o.42 0 2 2年1 2月THEJ OUR NA LO FL I GHTS C A T T E R I NGD e c.2 0 2 2收稿日期:(2 0 2 2-0 7-3 0),修改日期:(2 0 2 2-1 0-1 9)基金项目:国家重点研发计划项目2 0 1 9 Y F C 0 3 1 2 6 0 3,生物安全重点专项1 9 SWAQ 2 0 4,上海市军民融合发展专项2 0 2 0-j m r h 1-k j 1 1 0 1作者简介:杨星瑞(1 9 9 9-),女,海军军医大学药学本科2 0 1 8级学员,E-m a i l:x i n g r u i-y a n g f o x m a i l.c o m通讯作者:陆峰(1 9 7 1-),男,海军军医大学药物分析学教授,主要从事药物生物分析研究.E-m a i l:f e n g l u s mm u.e d u.c n文章编号:1 0 0 4-5 9 2 9(2 0 2 2)0 4-0 3 0 6-1 0表面增强拉曼光谱法在细胞氧化应激检测过程中的应用杨星瑞,周青,陆峰*(海军军医大学药学院,上海,2 0 0 4 3 3)摘 要:目的:对近年来出现的利用表面增强拉曼光谱技术(s u r f a c e-e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y,S E R S)检测细胞氧化应激的研究进行整理和总结,为氧化应激的检测提供新的思路。方法:查阅近年来出现的与S E R S技术、细胞氧化应激相关的文献并对其进行分类总结。结果:利用S E R S探针(或纳米传感器)可对氧化应激中所涉及的活性中间物、氧化应激产物、氧化酶等进行定量检测。结论:S E R S技术因其超高的灵敏度和良好的生物相容性,可以以无损的形式对细胞氧化应激过程中各种物质的含量变化进行实时监测,同时由于拉曼光谱仪器相对简单,在采用S E R S检测的同时还可以引入辐照或激光照射,这对探究氧化应激的机理有重要意义。关键词:表面增强拉曼光谱法;氧化应激;S E R S探针;R O S检测;活细胞分析中图分类号:R 9 1 7 文献标志码:A d o i:1 0.1 3 8 8 3/j.i s s n 1 0 0 4-5 9 2 9.2 0 2 2 0 4 0 0 7A p p l i c a t i o no f s u r f a c e-e n h a n c e dR a m a ns p e c t r o s c o p y i nt h ed e t e c t i o no fo x i d a t i v e s t r e s s i nc e l lYANGX i n g r u i,Z HOU Q i n g,L UF e n g*(S c h o o l o fP h a r m a c y,N a v a lM e d i c a lU n i v e r s i t y,S h a n g h a i2 0 0 4 3 3,C h i n a)A b s t r a c t:P u r p o s e:T h i sp a p e rs o r t e do u t a n ds u mm a r i z e dt h en e wt e c h n i q u e s f o r c e l l o x i d a-t i v es t r e s sm o n i t o r i n gb yS E R S i nr e c e n ty e a r s,p r o v i d i n gn e wi d e a s f o r t h ed e t e c t i o no f o x i-d a t i v es t r e s s.M e t h o d s:T h r o u g hr e v i e w i n ga n dc l a s s i f y i n gt h el i t e r a t u r ew h i c hr e l a t e dt oS E R St e c h n o l o g ya n dc e l lo x i d a t i v es t r e s s i nr e c e n ty e a r s.R e s u l t s:S E R Sp r o b e(o rn a n o-s e n s o r)w a su s e dt oq u a n t i t a t i v e l yd e t e c t t h er e a c t i v eo x y g e ns p e c i e s,o x i d a t i v es t r e s sp r o d-u c t sa n do x i d a s e i n v o l v e d i no x i d a t i v e s t r e s s.C o n c l u s i o n:S E R S t e c h n o l o g y,d u e t o i t su l t r a-h i g hs e n s i t i v i t ya n dg o o db i o c o m p a t i b i l i t y,c a nr e a l-t i m em o n i t o r t h e c o n t e n t c h a n g e so f v a r i-o u ss u b s t a n c e s i nt h ep r o c e s so f c e l l o x i d a t i v es t r e s s i nan o n-d e s t r u c t i v e f o r m.A t t h es a m et i m e,b e c a u s e t h eR a m a ns p e c t r o m e t e r i s r e l a t i v e l ys i m p l e,i r r a d i a t i o no r l a s e r i r r a d i a t i o nc a na l s ob e a d d e d i nS E R Sm o n i t o r i n g,w h i c h i so f g r e a t s i g n i f i c a n c e t oe x p l o r e t h em e c h a n i s mo fo x i d a t i v es t r e s s.K e yw o r d s:S E R S;o x i d a t i v es t r e s s;S E R Sp r o b e;R O Sd e t e c t i o n;l i v i n gc e l l a n a l y s i s1 引言细胞氧化应激指细胞内氧化系统与抗氧化系统之间的氧化还原平衡失衡,且平衡倾向于氧化的一种细胞状态,与细胞内氧化还原反应密切相关。可以说,氧化应激主要通过氧化还原反应来第4期杨星瑞:表面增强拉曼光谱法在细胞氧化应激检测过程中的应用实现。细胞内每时每刻都在发生氧化还原反应以维持细胞的机能,当细胞环境改变时,细胞内氧化还原反应(如亲电反应、硫烷反应、硝化反应等)产生的活性氧化中间产物无法快速清除会导致其在细胞内累积,引起氧化应激。随着对氧化应激的深入研究,各种检测细胞氧化应激状态的方法层出不穷,但目前为止,尽管可以使用色谱和质谱等传统分析工具来研究氧化应激所涉及的反应,但耗时且操作昂贵,而且它们不能直接原位测量所涉及的化学过程,更不用说在活细胞中的实时测量,目前为止仍没有一个公认的,可以实现无损、实时检测细胞氧化应激状态的技术,而近年来基于S E R S技术对氧化应激检测的出现似乎可以弥补这一空缺。S E R S是指当分子或官能团被吸附到某些金属或半导体的特定表面,如纳米颗粒或具有纳米级粗糙度的粗糙表面上时,拉曼散射信号的强度显著增加的现象1。S E R S技术是一种强大的分析技 术。检 测 水 溶 液 中 的 目 标 分 析 物 分 子 是S E R S最重要的优势之一。而对于生物样品来说,作为S E R S基底的过渡金属具有良好的生物相容性、能在仅使用较弱激光时就得到细胞或生物分子较丰富的光谱信息乃至指纹图谱,具有化学特异性和超高灵敏度,甚至允许单分子检测。本文将通过氧化应激压力标志物、氧化应激活性中间产物、氧化应激产物三个方面对目前出现的采用S E R S技术检测细胞氧化应激的方法进行梳理和总结,以此为基础对S E R S技术在生物医学上应用的前景进行展望。2 氧化应激压力标志物的S E R S检测氧化应激压力标志物是指如细胞内氧化还原电势、细胞内p H值等能够衡量细胞内环境的指标,该指标能在一定程度上反映细胞的氧化还原状态。2.1 氧化还原电位氧化还原电位是衡量细胞内环境氧化或还原程度的指标。由于细胞内氧化应激是细胞内氧化还原反应失调所导致的,故细胞内氧化还原电位可反应细胞氧化应激的情况。细胞内氧化还原电位由许多不同的成分组成决定,其测量具有挑战性。大多数方法仅测量含量最丰富的谷胱甘肽的氧化 还 原 电 位,也 有 部 分 是 通 过 测 定NA DH-NA D P H(脱氢酶-转氢酶系统,又称氧化还原指示剂代谢物系统)在细胞质和线粒体基质中的氧化还原电位,但这二者均不能反映真正的整体氧化还原电位。A u c h i n v o l eC的课题组2开发了一种测量整体氧化还原电位的方法,该方法不测量每个组分的单独贡献,而是通过构建了响应整体氧化还原电位变化的纳米传感器A u N P s(金纳米粒子)/S i O2/NQ和A u N P s/S i O2/HQ(NQ、HQ结构见图1 A),并应用表面增强拉曼散射(S E R S)的技术对其进行测量。该纳米传感系统的成功建立,为准确且可逆地探测活细胞中的氧化还原电位提供了一种新的途径。然而,该纳米传感器能探测的覆盖窗口有限,HQ探针仅对超生理氧化应激有用,而NQ探针仅涵盖正常生理氧化还原电位范围(见图1 B)。为填补上述两个探针在探测-1 9 4mV-1 2mV上的空缺,并扩展该技术量化细胞缺氧的能力,J i a n gJ等3在该探针的基础上新开发了以甲酰胺、二氢萘、磺酰胺等为报告分子的多个能扩大电位覆盖窗口的醌衍生物探针,并通过测量稳态细胞、监测缺氧细胞的氧化还原变化以及荧光缺氧试验等一系列试验,证明了扩大电位覆盖窗口后A u N P s-甲酰胺探针量化稳态细胞中的氧化还原电位并报告缺氧细胞中发生的氧化还原变化的能力。K a t e M等4则 在 其 论 文 中 详 细 介 绍 了S E R S光谱的信号处理和分析算法的开发方法,使用在MAT L A B中定制的算法估算光谱参数以确定氧化还原电位,从而使之输出为氧化还原电位值。2.2 p H值p H值亦是衡量细胞氧化还原状态的指标之一。许多p H响应分子已经实现了对细胞内p H值的 动 态 检 测。B i s h n o iS W等5报 告 了 一 种S E R S纳米传感器,能够在5.8 07.6 0p H的范围内连续测量其附近的局部p H值。该装置由一个A u N P s核和一层吸附质分子作为独立的纳米结构,分子吸附层由p MB A(对巯基苯甲酸)组成,p MB A是一种具有p H敏感S E R S响应的分子,能在近红外波长下引发高增强S E R S响应。L a w s o nLS等6还对与p MB A类似的3,5-二巯基苯甲酸等探针进行了报道,该类探针能产生非常稳定且可高度重复的S E R S信号,可以报告整个生理范围内的p H值,具有出色的p H分辨率,能对人类诱导多能干细胞细胞质中的p H分布进行成像,并广703光 散 射 学 报 第3 4卷E=130 mV1/2