Цитология, 2020, T. 62, № 6, стр. 437-445

Изменение характеристик флуоресценции квантовых точек на основе InP/ZnS при взаимодействии с клетками

И. К. Литвинов 1*, Т. Н. Беляева 1, Е. А. Леонтьева 1, А. О. Орлова 2, Е. С. Корнилова 13

1 Институт цитологии РАН
194064 Санкт-Петербург, Россия

2 Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
197101 Санкт-Петербург, Россия

3 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого
195251 Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: lik314@mail.ru

Поступила в редакцию 20.02.2020
После доработки 05.03.2020
Принята к публикации 10.03.2020

Аннотация

Полупроводниковые квантовые точки (КТ), благодаря своим уникальным спектрально-люминесцентным свойствам, привлекательны для визуализации биологических объектов в биологических и медицинских исследованиях. Основными способами регистрации люминесцентных КТ в клетках являются различные виды сканирующей микроскопии. Важно заметить, что в процессе использования КТ попадают в различное внеклеточное и внутриклеточное окружение, которое может повлиять на целостность поверхности КТ и, как следствие, на его фотофизические характеристики. В связи с этим нами были исследованы изменения характеристик сигналов люминесценции нетаргетных КТ на основе InP/ZnS, покрытых ПЭГ, имеющим СООН-группы, при применении которых возможно снижение рисков токсических эффектов в процессе биологических и медицинских исследований. В ходе работы было показано, что исследуемые КТ накапливаются в культивируемых клетках линии A549. Анализ фотофизических свойств КТ показал их различия внутри и вне клеток. Так, средняя интенсивность КТ в эндосомах была ниже, чем интенсивность кластеров вне клеток, что может объясняться более низкой концентрацией КТ во внутриклеточных кластерах. Однако и время жизни люминесценции КТ в кластерах, не зависящее от концентрации, также было ниже на 5–10 нс. Анализ раствора КТ показал, что снижение квантового выхода и времени жизни люминесценции КТ наблюдается в растворе со значением pH 4.0, но не наблюдается в диапазоне рН 7.4–8.0. В таких растворах не выявлено также и процесса существенного формирования агрегатов КТ. В связи с этим, изменения фотофизических свойств КТ при взаимодействиях с клетками можно связать с попаданием в эндосомы с пониженным значением pH. Таким образом, анализ времени жизни люминесценции КТ позволяет получить более полную информацию о состоянии КТ, нежели интенсивность люминесценции, как в случае использования флуоресцентной микроскопии. Наши результаты важны для адекватной интерпретации данных, касающихся как вопросов эффективности поглощения КТ, так и анализа свойств внутриклеточных компартментов, в которых накапливаются КТ.

Ключевые слова: квантовые точки InP/ZnS, интенсивность люминесценции, FLIM, время жизни люминесценции, эндосомы, pH, клетки A549

DOI: 10.31857/S004137712006005X

Список литературы

  1. Литвинов И.К., Беляева Т.Н., Салова А.В., Аксенов Н.Д., Леонтьева Е.А., Орлова А.О., Корнилова Е.С. 2017. Квантовые точки на основе фосфида индия (InP): влияние химических модификаций органической оболочки на взаимодействие с культивируемыми клетками различного происхождения. Цитология. Т. 59. № 10. С. 685. (Litvinov I.K., Belyaeva T.N., Salova A.V., Aksenov N.D., Leontieva E.A., Orlova A.O., Kornilova E.S. 2018. Quantum dots based on indium phosphide (InP): the effect of chemical modification of the organic shell on interaction with cultured cells of various origins. Cell Tiss. Biol. (Tsitologiya). V. 12. P. 135.)

  2. Aldana J., Lavelle N., Wang Y.J., Peng X.G. 2005. Size-dependent dissociation pH of thiolate ligands from cadmium chalcogenide nanocrystals. J. Am. Chem. Soc. V. 127. P. 2496.

  3. Aldana J., Wang Y.A., Peng X. 2001. Photochemical instability of CdSe nanocrystals coated by hydrophilic thiols. J. Am. Chem. Soc. V. 123. P. 8844.

  4. Bentzen E.L., Tomlinson I.D., Mason J., Gresch P., Warnement M.R., Wright D., Sanders-Bush E., Blakely R., Rosenthal S.J. 2005. Surface modification to reduce nonspecific binding of quantum dots in live cell assays. Bioconjug. Chem. V. 16. P. 1488.

  5. Collinet C., Stoter M., Bradshaw C.R., Samusik N., Rink J.C., Kenski D., Habermann B., Buchholz F., Henschel R., Mueller M.S., Nagel W.E., Fava E., Kalaidzidis Y., Zerial M. 2010. Systems survey of endocytosis by multiparametric image analysis. Nature. V. 464. P. 243.

  6. Derfus A.M., Chan W.C.W., Bhatia S.N. 2004. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots. Nano Lett. V. 4. P. 11.

  7. Kirchner C., Liedl T., Kudera S., Pellegrino T., Muñoz Javier A., Gaub H.E., Stölzle S., Fertig N., Parak W.J. 2005. Cytotoxicity of colloidal CdSe and CdSe/ZnS nanoparticles. Nano Lett. V. 5. P. 331.

  8. Lakowicz J.R. 2007. Principles of fluorescence spectroscopy. N.Y.: Springer Science & Business Media.

  9. Litvinov I.K., Belyaeva T.N., Bazhenova A.S., Leontieva E.A., Orlova A.O., Kornilova E.S. 2018. QDs-cysteine luminescence kinetics: comparative analysis on live and fixed cells. In: Int. Conf. Laser Optics (ICLO). IEEE Proceedings. P. 574.

  10. Martynenko I.V., Kuznetsova V.A., Litvinov I.K., Orlova A.O., Maslov V.G., Fedorov A.V., Dubavik A., Purcell-Milton F., Gun’ko Y.K., Baranov A.V. 2016. Enantioselective cellular uptake of chiral semiconductor nanocrystals. Nanotechnol. V. 27. № 7. P. 075102.

  11. Schlegel G., Bohnenberger J., Potapova I., Mews A. 2002. Fluorescence decay time of single semiconductor nanocrystals. Phys. Rev. Letters. V. 88. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.137401

  12. Smith A.M., Duan H., Mohs A.M., Nie S. 2008. Bioconjugated quantum dots for in vivo molecular and cellular imaging. Adv. Drug Deliver. Rev. V. 60. P. 1226.

  13. Tonti S., Di Cataldo S., Bottino A., Ficarra E. 2015. An automated approach to the segmentation of hep-2 cells for the indirect immunofluorescence ANA test. Comput. Med. Imaging Graph. V. 40. P. 62.

  14. Uyeda H.T., Medintz I.L., Jaiswal J.K., Simon S.M., Mattoussi H. 2005. Synthesis of compact multidentate ligands to prepare stable hydrophilic quantum dot fluorophores. Am. Chem. Soc. V. 127. P. 3870.

  15. Wegner K.D., Hildebrandt N. 2015. Quantum dots: bright and versatile in vitro and in vivo fluorescence imaging biosensors. Chem. Soc. Rev. V. 44. № 14. P. 4792.

  16. Young K. T., Wang Y., Roy I., Rui H., Swihart M.T., Law W.C., Kwak S.K., Ye L., Liu J., Mahajan S.D., Reynolds J.L. 2012. Preparation of quantum dot/drug nanoparticles formulations for traceable targeted delivery and therapy. Theranostics. V. 2. P. 681.

Дополнительные материалы отсутствуют.