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DNAzyme–Metal–Organic Framework Two-Photon Nanoprobe for In situ Monitoring of Apoptosis-Associated Zn2+ in Living Cells and Tissues

纳米探针 脱氧核酶 荧光团 生物物理学 化学 细胞内 荧光 水溶液中的金属离子 金属 纳米技术 DNA 材料科学 生物化学 纳米颗粒 生物 量子力学 物理 有机化学
作者
Xinxin Shi,Hong‐Min Meng,Xin Geng,Lingbo Qu,Zhaohui Li
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:5 (10): 3150-3157 被引量:55
标识
DOI:10.1021/acssensors.0c01271
摘要

Monitoring Zn2+ in living cells is critical for fully elucidating the biological process of apoptosis. However, the quantitative intracellular sensing of Zn2+ using DNAzyme remains challenging because of issues related to penetration of the signal through tissue, targeted cellular uptake and activation, and susceptibility toward enzymatic degradation. In this study, we developed a novel phosphate ion-activated DNAzyme–metal–organic frameworks (MOFs) nanoprobe for two-photon imaging of Zn2+ in living cells and tissues. The design of this nanoprobe involved the loading of a Zn2+-specific, RNA-cleaving DNAzyme onto the MOFs through strong coordination between the phosphonate O atoms of the DNAzyme backbone and Zr atoms in the MOFs. This coordination restrained the extracellular activity of DNAzyme; however, after cell entry, the DNAzyme was released from the MOFs through a competitive binding by the phosphate ions present at a high intracellular concentration. Following their release, the two-photon (TP) fluorophore-labeled substrate strands of DNAzyme were cleaved with the aid of Zn2+, which resulted in a strong fluorescence signal. The incorporation of a TP fluorophore into the nanoprobe facilitated near-infrared excitation, which allowed the highly sensitive and specific imaging of Zn2+ in living cells and tissues at greater depths than possible previously. The TP-DNAzyme-MOFs nanoprobe achieved a low detection limit of 3.53 nM, extraordinary selectivity toward Zn2+, and a tissue signal penetration of 120 μm. More importantly, this nanoprobe was successfully used to monitor cell apoptosis, and this application of the DNAzyme-MOFs probe holds great potential for future use in biological studies and medical diagnostics.
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