基于SERS技術的靶向修飾金納米探針用于Hela細胞的檢測

馮雨晴， 李 奚

(長春工業大學 化學與生命科學學院， 吉林 長春 130012)

1 引 言

癌癥的早期診斷可以增加癌癥的治愈率并提高癌癥患者的生存率。因此，開發具有高靈敏度的特異性癌癥精確診斷工具非常重要[1]。拉曼光譜(Raman)是一種研究生物分子的重要分析方法，但存在信號微弱的缺點[2]。隨著激光及納米技術的進步，利用納米金屬材料(如金、銀)的表面等離子體共振效應(Surface plasmon resonance，SPR)發展起來的表面增強拉曼散射光譜(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)可使納米材料表面分子的拉曼信號強度增大103～106倍[3]，從而使其成為一種檢測痕量生物分子的重要工具，并應用于腫瘤標記物的鑒定[4-6]。其中，具有優良生物相容性的金納米棒(Gold nanorods, AuNRs)由于制備簡易、穩定性高、消光系數大且縱向 SPR吸收峰(LSPR)從可見區到近紅外區連續可調[7]，從而表現出較好的光學性能而在體外SERS癌癥診斷應用中受到廣泛關注[7-8]。

表皮生長因子受體(Epidermal growth factor receptor，EGFR)是一種由EGFR基因編碼的蛋白[9]。在EGFR基因發生突變后會引起EGFR蛋白過量表達，在細胞膜表面組裝，導致細胞膜表面表皮生長因子受體過多，可結合大量表皮生長因子(Epidermal growth factor,EGF)，加速促進細胞異常生長和分裂，最終導致腫瘤產生[10-11]。因此，EGFR蛋白可作為腫瘤標志物用于癌癥早期診斷。本文針對SERS光譜的激發波長在785 nm，設計合成了LSPR吸收峰在785 nm的AuNRs以最大程度提高對吸收光的利用效率，并在AuNRs表面修飾了能夠特異性結合EGFR的抗體Anti-EGFR，利用經典SERS探針分子4-MBA信號的變化，用于檢測細胞表面腫瘤標志物EGFR。

2 實 驗

2.1 試劑與儀器

人宮頸癌Hela細胞株、人腎上皮HEK-293細胞株購置于中科院上海細胞庫。DMEM培養基、二甲基亞砜(DMSO)、MTT檢測試劑盒為Thermo公司產品。對羥基苯甲酸(4-MBA)、聚乙二醇(m-PEG)購自Sigma公司。人表皮生長因子抗體(EGFR)為生工產品。細胞培養瓶、爬片、96孔板、6孔板為NEST公司產品。

透射電子顯微鏡(FEI Tecnai G2 F20 日本電子)，加速電壓30 kV；共聚焦拉曼光譜儀(alpha300R，美國WITEC),用785 nm的半導體激光器作光源，超快速拉曼光譜成像，光譜范圍400～4 000 cm-1，掃描時間15 s。全自動酶聯免疫檢測儀(BIOTEK ELx800)；臺式離心機(美國，THERMO FISHER)；激光共聚焦掃描顯微鏡(德國，Leica)。

2.2 金納米探針的合成

金納米棒(AuNRs)的合成采用文獻報道的晶體生長法[12]。首先合成種子溶液：向5 mL、0.2 mol·L-1CTAB(十六烷基三甲基溴化銨)溶液中加入5 mL、0.5 mmol·L-1氯金酸；再加入0.6 mL、0.01 mol·L-1新鮮配置的冰的硼氫化鈉，而后放入30 ℃水浴中靜置老化2 h后備用。金納米棒的生長：將0.060 8 g CTAB加入到33 mL水中，加熱溶解，加入10 μL 0.01 mol·L-1硝酸銀，然后加入22.5 mmol·L-1氯金酸溶液297 μL，加入0.24 mL 0.1 mol·L-1的AA還原，溶液由黃色變透明，期間不斷攪拌；最后加入20 μL上述種子溶液后快速攪拌2 min后靜置過夜，讓金種生長為金棒。離心(10 000 r/min，12 min)洗滌兩次，將純化后的金納米棒分散在超純水中備用。向合成的2 mL金納米棒溶膠中加入8.5 μL 10 μmol·L-1的4-MBA(4-巰基苯甲酸)，反應過夜；14 000 r/min離心15 min，小心去除上層溶液，重分散在滅菌水中。按照上述步驟重復清洗2～3遍，再加入20 μL 20 mmol·L-1mPEG-SH過夜反應，重復上述清洗步驟除去多余未反應的PEG；之后再加入EGFR(pH=7.2的PBS緩沖溶液)，過夜反應。重復上述清洗步驟，重分散在2.0 mL滅菌水中備用。

2.3 細胞毒性檢測

進行AuNRs與靶向修飾的AuNRs粒子的細胞MTS毒性檢測，96孔板檢測，平行實驗6組。取對數生長期的HEK-293(人腎上皮細胞)細胞進行鋪板，單孔細胞容量104，過夜培養，細胞貼壁后，于對照組中加入培養液、實驗組分別加入不同濃度的兩種AuNRs繼續孵育培養過夜。細胞與兩種納米粒子共孵育24 h后加入MTS試劑(每孔10 μL)，繼續培養2 h后用酶標儀讀數，計算細胞存活率并繪制圖表。將靶向修飾的金納米棒與Hela細胞(人宮頸癌細胞)共孵育24 h后進行暗場成像，對照組采用HEK-293細胞(人腎上皮細胞)。

2.4 SERS檢測

拉曼檢測如下：儀器用硅片校準，拉曼峰位于520 cm-1，光譜范圍600～1 800 cm-1，樣品激發波長為785 nm，激光實際功率5 mW，積累時間10 s。對于細胞SERS檢測，將粒子與細胞共孵育24 h后，選擇激發波長785 nm，激光實際功率5 mW，累計時間10 s，光譜范圍600～1 800 cm-1，測20個細胞得到平均SERS光譜。

3 結果與討論

3.1 金納米棒探針的表征

Anti-EGFR功能化金納米棒AuNRs probes可通過透射電子顯微鏡(TEM)進行形貌表征，如圖1所示。AuNRs probes形態均一，平均粒徑約為(42±11) nm(共統計328個金納米棒粒子)，長徑比約為3.8。將金納米棒近似看作一個圓柱體，通過電感耦合等離子體發射光譜測定(Inductively coupled plasma optical emission spectrometer，ICP-OES)，可計算出AuNRs probes粒子濃度為1.31×1012/mL[13]，用于定量功能化修飾。

圖1 Anti-EGFR功能化的金納米棒AuNRs probes透射電鏡圖

Fig.1 TEM image of AuNRs probes

圖2分別為金納米棒AuNRs、AuNRs-MBA和AuNRs probes的可見吸收光譜(圖2(a))和SERS譜(圖2(b))。由圖可見，在785 nm處AuNRs有明顯LSPR吸收峰，當AuNRs表面修飾拉曼染料4-MBA后，LSPR峰紅移15 nm至790 nm，且在SERS譜圖上1 100 cm-1與1 600 cm-1左右出現了特征峰，分別對應于4-MBA分子的苯環呼吸特征振動和軸向變形振動[14]。單個拉曼染料4-MBA分子所占面積約為0.20 nm2，可估算出加入4-MBA的量為0.042 μmol·L-1，使其只占據金納米棒表面約50%，可以用于進一步修飾靶向性Anti-EGFR分子。當Anti-EGFR分子連接到AuNRs-MBA后，其可見吸收光譜LSPR峰紅移30 nm至820 nm，證明Anti-EGFR分子已被成功地修飾到金納米棒表面，與此同時，金納米棒表面SERS信號分子4-MBA的特征峰的峰位及強度未發生明顯變化，可用于下一步SERS檢測。

圖2 金納米棒的紫外吸收光譜(a)和SERS光譜(b)

3.2 金納米棒探針細胞毒性檢測及暗場成像

由于金納米材料的強散射特性，可以用暗場顯微鏡來研究納米金顆粒與細胞的相互作用。圖3(a)是anti-EGFR靶向修飾AuNRs probes與HEK-293細胞暗場成像顯微鏡圖片，由于HEK-293細胞表面呈EFGR陰性，AuNRs probe不能與HEK-293產生特異性結合，因此未見大量金納米棒聚集于HEK-293細胞處。圖3(b)是AuNRs probes與Hela細胞暗場成像，由于Hela癌細胞表面特異性表達EGFR，可與AuNRs probes上修飾的Anti-EFGR產生特異性識別，從而從暗場成像下我們觀察到anti-EGFR功能化的AuNRs probes可與Hela細胞發生相互作用，聚集在細胞邊緣處。并且通過MTS實驗可證實(圖3(c))，AuNRs probes生物兼容性較好，可用于進一步體內拉曼成像顯影檢測。

圖3 AuNRs納米棒與HEK-293細胞(a)、Hela細胞(b)作用的暗場成像及細胞毒性MTS實驗結果(c)。

Fig.3 Dark field images of HEK-293 cell(a), Hela cell(b) incubated with AuNRs probes and cell viability detection by MTS assay(c).

3.3 金納米棒探針細胞SERS檢測

將AuNRs-MBA和AuNRs probes分別與HEK-293細胞(EGFR陰性)和Hela細胞(EGFR陽性)共孵育24 h后進行SERS檢測。如圖4所示，無論是AuNRs-MBA還是AuNRs probes，位于1 100 cm-1和1 600 cm-1處拉曼信號分子4-MBA的特征吸收峰依然存在，由此證明AuNRs probes結構穩定適合用于活體細胞SERS檢測。由于細胞表面過表達的EGFR可與AuNRs probes 表面的Anti-EGFR產生特異性結合，從而使AuNRs probes大量聚集在Hela細胞表面(如圖3(b))，與Hela細胞共孵育測得AuNRs probes上4-MBA分子的1 100 cm-1和1 600 cm-1處的信號相較于通過非特異性吸附于細胞的AuNRs-MBA分別增強2.2倍和2.4倍；與此同時，AuNRs-MBA和AuNRs probes 與HEK-293細胞共孵育后，SERS特征峰強度變化不大(1 100 cm-1和1 600 cm-1處的信號分別增強1.2倍和1.3倍)。因此可通過比較與AuNRs-MBA和AuNRs probes共孵育前后SERS信號的變化來診斷表面腫瘤標記物EGFR陽性的癌細胞。

圖4 細胞與AuNRs納米棒共孵育24 h后的SERS光譜。 (a)HEK-293細胞；(b)粒子與Hela細胞。

Fig.4 SERS spectra of cell. (a) HEK-293 cell. (b) Hela cell.

4 結 論

我們通過共價修飾合成了生物兼容性好、且在細胞環境具有穩定SERS信號的EGFR細胞靶向的金納米探針AuNRs probes。通過該AuNRs probes表面修飾的Anti-EGFR與癌細胞表面過表達的EGFR特異性識別，可使AuNRs probes更為有效地結合于癌細胞表面，使該探針上拉曼活性分子4-MBA在1 000 cm-1和1 600 cm-1的拉曼信號得到增強，對癌細胞進行高靈敏度檢測，為臨床新型癌癥早期篩查方法的研究提供了新的思路和實驗依據。