這一研究利用一種人工光合作用納米顆粒，這種系統(tǒng)可以把近紅外光變成可見(jiàn)光。遠(yuǎn)紅外在人體等生物組織的穿透力強(qiáng)，容易實(shí)現(xiàn)光線(xiàn)補(bǔ)充，但是這種光難以參與光合作用，通過(guò)轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，實(shí)現(xiàn)了用近紅外啟動(dòng)光合作用的目的。光合作用常見(jiàn)結(jié)果分解水產(chǎn)生氧氣，當(dāng)然也能產(chǎn)生氫氣，這里就是利用光合作用產(chǎn)生氫氣。另外利用自由基啟動(dòng)光合作用，而光合作用產(chǎn)生的氫氣中和自由基?？傊@一研究是將紅外線(xiàn)穿透能力，紅外轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光，自由基啟動(dòng)光合作用產(chǎn)生氫氣，氫氣中和自由基，實(shí)現(xiàn)了定向分析自由基并中和自由基的多重目的。

這個(gè)研究有多重目的，可謂一石三鳥(niǎo)：光合作用產(chǎn)生氫氣，活性氧啟動(dòng)產(chǎn)氫氣實(shí)現(xiàn)在體氧化分析，產(chǎn)生的氫氣發(fā)揮抗氧化。這三個(gè)任務(wù)的核心就是氫氣。

該研究來(lái)自臺(tái)灣清華大學(xué)Wei-Lin Wan教授團(tuán)隊(duì)，近期發(fā)表在《自然通訊》。

活性氧穩(wěn)態(tài)的紊亂可能是許多疾病的發(fā)病機(jī)制。受到自然光合作用的啟發(fā)，這項(xiàng)工作提出了一種光驅(qū)動(dòng)的氫氣釋放脂質(zhì)體納米平臺(tái)(Lip NP)，它包括一個(gè)上轉(zhuǎn)換納米顆粒，它通過(guò)一個(gè)能響應(yīng)活性氧的鏈接子與金納米顆粒(AuNPs)結(jié)合，后者封裝在脂質(zhì)體系統(tǒng)中，在脂質(zhì)雙分子層嵌入葉綠素a (Chla)。納米顆粒作為一個(gè)傳感器，將近紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，用于同時(shí)成像和原位改善。金納米顆粒作為光收集天線(xiàn)，用于FRET生物傳感中的局部活性氧濃度檢測(cè)，而Chla激活光合作用產(chǎn)生氫氣，氫氣清除局部過(guò)量的活性氧。結(jié)果表明，在生物組織分析中使用脂質(zhì)體納米顆粒有應(yīng)用潛力，可以恢復(fù)活性氧穩(wěn)態(tài)，可能具有防治疾病的發(fā)生和發(fā)展的作用。

許多致病過(guò)程涉及活性氧的過(guò)量產(chǎn)生，包括羥基自由基(•OH)、過(guò)氧亞硝酸鹽(ONOO -)和過(guò)氧化氫。生理上，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的活性氧調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)，調(diào)節(jié)蛋白功能，介導(dǎo)炎癥。然而，炎癥細(xì)胞如巨噬細(xì)胞中產(chǎn)生過(guò)量活性氧會(huì)破壞細(xì)胞蛋白、DNA和脂質(zhì)?；钚匝醍a(chǎn)生的這種不平衡可能導(dǎo)致許多人類(lèi)疾病的發(fā)病機(jī)制，包括癌癥、心血管疾病和糖尿病。

氫氣具有抗氧化的潛力，能夠選擇性地降低病變細(xì)胞中高細(xì)胞毒性活性氧濃度，包括•OH和ONOO -，同時(shí)保留其他有生理功能的活性氧。此外，氫氣比其他抗氧化劑體積小，它很容易擴(kuò)散到細(xì)胞和組織中，在那里發(fā)揮改善功能。由于其調(diào)節(jié)活性氧穩(wěn)態(tài)的獨(dú)特能力，近年來(lái)氫氣改善備受關(guān)注。然而，氫氣在體液中的溶解度較低，傳統(tǒng)給藥途徑輸送到病變組織的氫氣濃度比較低，限制了氫氣最理想效應(yīng)的發(fā)揮。

受到天然植物光合作用的啟發(fā)，這項(xiàng)工作提出一種納米復(fù)合物，由摻鑭的上轉(zhuǎn)換納米顆粒(納米顆粒;NaYbF4:Er@CaF2)與金納米顆粒(AuNPs)通過(guò)一種基于活性氧響應(yīng)的硫代酮(TK)的連接劑結(jié)合，該連接劑封裝在脂質(zhì)體系統(tǒng)中，脂質(zhì)雙分子層嵌入葉綠素a (Chla)。納米顆粒已被用作Forster共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)生物檢測(cè)的優(yōu)良給體熒光團(tuán)， 金納米顆粒已被用作FRET生物傳感的受體熒光團(tuán)。

圖1描述了納米顆粒的組成結(jié)構(gòu)，以及它在原位同時(shí)檢測(cè)和清除過(guò)量活性氧、調(diào)節(jié)活性氧穩(wěn)態(tài)的機(jī)制。為了使納米顆粒親水用于水中，表面用檸檬酸修飾，檸檬酸是一個(gè)電子供體，提供電子和質(zhì)子。檸檬酸納米顆粒也作為一種遠(yuǎn)程控制傳感器，將組織穿透近紅外輻射(980 nm)轉(zhuǎn)換為約550 nm(綠色)和660 nm(紅色)的光。與檸檬酸-納米顆粒結(jié)合的金納米顆粒被用作探測(cè)局部活性氧濃度的光收集天線(xiàn)。

以下選部分研究結(jié)果圖，全面了解，建議全文下載閱讀。

圖1:納米顆粒的組成結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)理。

在生理狀態(tài)下，納米復(fù)合物的TK鍵(檸檬酸- 納米顆粒 -TK-AuNPs)是完整的，并且納米復(fù)合物中檸檬酸- 納米顆粒(熒光團(tuán)的供體)和AuNPs(熒光團(tuán)的受體)之間的距離足夠短，可以實(shí)現(xiàn)FRET (FRET on)。因此，在980 nm NIR光的激發(fā)下，AuNPs吸收檸檬酸-納米顆粒的綠色發(fā)射光。在氧化應(yīng)激條件下，活性氧穩(wěn)態(tài)改變，過(guò)量活性氧能裂解納米復(fù)合物的TK鍵，將檸檬酸- 納米顆粒與AuNPs分離(FREToff)，最終在550 nm處生成綠色光。因此，這種熒光成像技術(shù)可以用于檢測(cè)生物組織中過(guò)量的活性氧。

圖2展示了氫的光催化演化的潛在機(jī)制。當(dāng)Chla(一種光敏劑)在660 nm處收獲紅光時(shí)，后者(Chla)被激活。激活的Chla釋放光激發(fā)電子，電子被迅速轉(zhuǎn)移到與檸檬酸-納米顆粒結(jié)合金納米顆粒AuNPs(一個(gè)電子受體和一個(gè)質(zhì)子還原催化劑)。然后，AuNPs從檸檬酸中接受質(zhì)子，從而脫離納米顆粒形成氫氣，氫氣在局部清除過(guò)量活性氧。氧化后Chla可通過(guò)從檸檬酸鹽中接受一個(gè)電子而被還原回到基態(tài)。光催化制氫通常包括光敏劑、質(zhì)子還原催化劑和犧牲電子供體，已廣泛應(yīng)用于人工光合系統(tǒng)，以有效利用太陽(yáng)能，解決能源相關(guān)和環(huán)境問(wèn)題。

圖2:納米材料光合作用產(chǎn)氫氣的機(jī)制。

體外清除活性氧和抗炎

評(píng)估了使用納米顆粒清除巨噬細(xì)胞(RAW264.7)中被脂多糖(LPS)刺激后產(chǎn)生的過(guò)量活性氧的可行性。雙重免疫組織化學(xué)染色進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)形象化促炎細(xì)胞因子IL-1β和il IL- 6的表達(dá)。使用DCFDA檢測(cè)試劑盒測(cè)定細(xì)胞內(nèi)活性氧含量，ELISA檢測(cè)促炎細(xì)胞因子在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)水平。

如圖6a所示，納米顆粒有效降低巨噬細(xì)胞中活性氧的過(guò)量產(chǎn)生，且呈濃度依賴(lài)關(guān)系。

圖6:納米顆粒產(chǎn)生氫氣體外活性氧清除及抗炎作用。

上述結(jié)果強(qiáng)烈支持聲稱(chēng)納米顆粒納入所提出的可作為遠(yuǎn)程控制納米傳感器作用，可用于確定當(dāng)?shù)氐幕钚匝鯘舛群筒l(fā)活化氣體氫氣的光合作用,有效地減少活性氧水平病變細(xì)胞。這種生物激發(fā)的納米平臺(tái)集成了診斷、改善和對(duì)納米顆粒改善效果的監(jiān)測(cè)，可以極大地幫助生物體系重建氧化還原穩(wěn)態(tài)，可能會(huì)預(yù)防各種人類(lèi)疾病。

上內(nèi)容摘自《孫學(xué)軍 氫思語(yǔ)》，僅限于知識(shí)科普，不代表對(duì)本公司產(chǎn)品的宣傳。