哺乳动物的细胞膜主要由蛋白、脂质和糖类等物质构成，它调控着细胞的生理活动、以及物质的运输和细胞与细胞之间的交流， 因此识别和鉴定细胞膜上的分子信息变化对疾病的调控具有重要的价值。 磷酸丝氨酸（PS）作为细胞早期凋亡的重要标志物，通常位于细胞质膜内侧小叶上。当细胞发生凋亡时，位于内膜小叶上的磷酸丝氨酸会发生翻转到细胞膜的外侧。近日，中国科学院长春应用化学研究所金永东研究员团队通过构筑金纳米粒子包覆的金属有机框架 （MOF, ZIF-8）杂化粒子、在单粒子水平实现了细胞膜在电刺激过程中PS 的外翻过程和细胞膜的损伤分析。

研究团队利用静电组装的方法实现了金纳米粒子与ZIF-8的有效结合，成功制备了Au@ZIF-8 （图1所示）粒子。该微纳米平台具有以下三种优势：（1）可以实现细胞膜的有效铆钉，主要是通过细胞膜磷脂双分子层的磷酸根离子与MOF结构的锌离子配位结合；可调控的微米结构防止了材料短时间被细胞内吞。（2）ZIF-8较大的表面积有利于金纳米粒子的负载，更有利于SERS热点结构的产生，用于增强生物分子的SERS信号。（3）AuNPs@ZIF-8铆钉在细胞膜上后可以实现细胞膜的指纹光谱的动态响应变化监测。该工作中，我们采用电刺激快速有效地刺激诱导细胞凋亡，利用该微纳探针实现了电刺激细胞凋亡过程中PS的外翻过程监测；同时对比了正常细胞与癌细胞电刺激过程中PS的外翻变化程度和响应差异；从中揭示癌细胞更容易在电刺激过程中出现PS的外翻来启动细胞的早期凋亡。

图1. Au@ZIF-8 的形貌表征和元素分析表征

同时,研究团队制备了罗丹明B包覆的ZIF-8 实现了细胞电刺激过程中细胞膜损伤、及PS从内膜到外膜翻转的可视化鉴定。利用AuNPs@ZIF-8 与细胞膜的铆钉作用实现了正常细胞（H8 cells）与癌细胞（HeLa cells）电刺激前后的指纹光谱的分析（图2）。其差异主要表现为癌细胞膜上的磷酸基团遭到明显破坏和PS的外翻，且苯丙氨酸的变化对细胞膜的通透性发生了明显的变化，进而诱导细胞的凋亡。

图2. a 电刺激对细胞膜的损伤示意图和(b)-(e)细胞膜电刺激前后指纹信息分析。

这一成果近期发表在上 Analytical Chemistry，文章的第一作者是中国科学院长春应用化学研究所助理研究员齐国华博士， 通讯作者是金永东研究员

论文信息：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.0c04038

Label-Free Single-Particle Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Detection of Phosphatidylserine Externalization on Cell Membranes with Multifunctional Micron-Nano Composite Probes

Guohua Qi, Jiafeng Wang, Kongshuo Ma, Ying Zhang, Jie Zhang, Weiqing Xu, Yongdong jin*

Anal. Chem.,2021, doi.org/10.1021/acs.analchem.0c04038