近期，吉林大学未来科学国际合作联合实验室、电子科学与工程学院、集成光电子国家重点实验室科研团队在Nano Letters上发表题为“Fluorescent / Circular Dichroic Dual-Mode Chiral Upconversion Nanocomposite for Diagnosis and Treatment of Rheumatoid Arthritis”的研究工作。该工作提出了一种基于上转换纳米粒子的手性复合纳米传感器（UCNPs@L-POM），该传感器能够产生针对羟基自由基的荧光/圆二色信号双模响应，实现在水溶液及细胞中的羟基自由基双模传感。作为活体应用展示，该传感器能够通过活体成像在关节炎小鼠中实现炎症肢及健康肢的区分，并通过对羟基自由基的消耗，有效缓解足部炎症，促进关节炎愈合（图一）。
图一：UCNPs@L-POM复合纳米传感器的制备策略、上转换发光/圆二色信号的检测机理及在类风湿性关节炎诊治中的应用
手性，又称镜像不对称，是自然界普遍存在的一种性质。圆二色性是手性物质最具代表性的光学性质之一。随着对手性光-物质相互作用研究的深入，基于圆二色光谱的传感逐渐成为手性生物传感器中最重要的方法之一。然而，天然生物分子（如氨基酸）所表现出的圆二色信号往往相对较弱，因此需要较高的样品浓度才能准确表征分子手性。这种要求增加了检测成本，降低了灵敏度。近年来，随着对手性研究的深入，科学家们利用手性配体通过表面或晶格畸变将手性转移到更大尺寸的纳米结构中，导致这些纳米结构的手性光学活性呈指数级放大。这种增强的手性活性对结构变化非常敏感，这意味着即使纳米材料结构上的微小改变也会导致圆二色信号的灵敏变化。这种特性使这些手性纳米材料在超灵敏的生物测定应用中脱颖而出。然而圆二色信号的应用目前仅限于体外检测，无法满足体内实时、连续监测疾病的要求。
鉴于原位可视化在生物应用中的重要性，科学家们将手性与其他光学性质结合起来，构建了具有多种生物功能特性的手性纳米复合传感器。与传统手性分子探针相比，这些手性纳米传感器不仅能够通过圆二色信号实现体外的超灵敏检测，活体应用同样可以通过其他光学性质来实现。遗憾的是，由于材料类型和制备技术的限制，这种手性纳米复合传感器的组分选择性和可用性仍然受到很大的限制。因此，开发结构稳定、性能优异的手性纳米复合传感器以满足生物医学诊断和检测的需要具有重要的研究兴趣和实际应用价值。
在这项工作中，研究者们构建了一个近红外触发UCNPs@L-POM手性纳米复合传感器用于羟基自由基的双模传感及关节炎的诊疗。具体来说，利用生物相容性的L-半胱氨酸分子还原氧化钼基多金属氧酸盐，并将其涂覆在上转换纳米粒子表面，形成UCNPs@L-POM手性纳米复合传感器。通过L-半胱氨酸的手性转移诱导UCNPs@L-POM产生了全新的、更强的手性活性。在羟基自由基的存在下，UCNPs@L-POM中的Mo4+被氧化为Mo5+，通过能量传递效应猝灭红色上转换发光。同时，UCNPs@L-POM上的手性配体L-半胱氨酸被羟基自由基解离，降低了UCNPs@L-POM的手性活性。通过这种方法，实现了在水溶液和细胞水平上的羟基自由基的荧光/圆二色信号双模传感。为了突破手性材料在体外传感的局限，研究者通过引入上转换纳米粒子作为荧光探针来实现手性材料在体内的应用。作为概念验证，研究者以羟基自由基高表达的小鼠类风湿关节炎为模型，证明了设计的手性纳米复合传感器可以通过原位成像诊断类风湿性关节炎，并通过消耗羟基自由基抑制炎症的发展，促进关节炎的恢复。
团队通过溶剂热法制备了裸核（NaErF4:0.5%Tm）及核壳（NaErF4:0.5%Tm@NaLuF4）上转换纳米粒子并通过原位包覆法组装了最终的UCNPs@L-POM手性纳米复合传感器。该传感器各个组分的形貌通过透射电子显微镜表征，并通过上转换发射光谱及圆二色光谱的测试证实了其具有上转换发光及圆二色双光学性质（图二）。
图二：UCNPs@L-POM的合成过程示意图以及形貌、性质表征
研究者通过X射线光电子能谱仪、紫外可见分光光度计及傅里叶红外光谱仪探究UCNPs@L-POM与羟基自由基反应前后发光及圆二色信号改变的原理，并在水溶液中进行了羟基自由基的双模检测。随着羟基自由基浓度的升高，UCNPs@L-POM的上转换发光及圆二色信号逐渐减弱，两种信号的强度均可以与羟基自由基浓度形成良好的线性关系，证明制备的手性纳米复合传感器能够实现羟基自由基的双模检测（图三）。
图三：UCNPs@L-POM的传感原理及溶液中的羟基自由基双模检测结果
为了验证UCNPs@L-POM的活体成像功能，研究者们首先进行了细胞水平的传感。首先将巨噬细胞与UCNPs@L-POM共同孵育，然后向细胞中引入不同浓度的外源性羟基自由基，通过共聚焦成像证实了手性复合纳米传感器在细胞中的荧光传感，并通过测试细胞悬液的圆二色光谱证实了手性复合纳米传感器在细胞水平上的圆二色信号传感。作为活体应用的展示，团队诱导小鼠单侧后肢形成类风湿性关节炎，并向健康肢及炎症肢中注射UCNPs@L-POM。炎症肢中的羟基自由基水平的升高导致其成像荧光强度明显减弱，表明UCNPs@L-POM能够有效诊断类风湿性关节炎（图四）。
图四：UCNPs@L-POM在细胞中的双模传感及在关节炎小鼠中的活体成像
由于炎症肢中的羟基自由基被消耗，UCNPs@L-POM能够有效抑制关节炎小鼠的炎症。为了验证UCNPs@L-POM的炎症治疗效果，对关节炎小鼠的炎症肢进行了原位注射。经过15天的治疗后，炎症肢的肿胀现象基本消退。通过组织切片及ELISA检测，证实UCNPs@L-POM有效降低了炎症小鼠体内的炎症水平（图五）。
图五：UCNPs@L-POM用于关节炎小鼠的炎症治疗
相关的研究成果近期发表在Nano Lett.上，文章第一作者为吉林大学博士研究生卢扬，通讯作者为吉林大学刘晓敏教授和孙鹏教授。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委和吉林省科技厅等项目的支持。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04368
