单细胞ICP-MS研究新型光催化抗癌药物双核铱化合物

金属铱配合物具有可调节的结构和氧化还原电位、显著的光稳定性、特别高的激发寿命和多光敏机理，正成为光催化抗癌药物的兴起药物。在抗癌药物治疗中，单个肿瘤细胞对药物的摄入和保留效率是影响疗效的重要因素，准确定量金属基抗癌药物在单个癌细胞内的摄入和保留对有效筛选抗癌药物有重要意义。目前单核铱化合物（Ir1）用作光催化抗癌药物已有一些报道，但双核铱化合物（Ir2）尚未见报道。

图1 Ir（III）光催化剂诱导NAD(P)H的氧化还原

新兴的单细胞ICP-MS技术（SC-ICP-MS）将每个细胞视为一个单独的个体，使用PerkinElmer Asperon™雾室的单细胞进样系统，能十分有效传输细胞，搭配NexION ICP-MS 100,000点/秒的极快采集速度和专用单细胞应用软件模块，能快速准确定量单个细胞内元素的含量，得到元素含量分布，含金属的细胞浓度以及区分细胞外源性和内源性离子。中山大学黄怀义副教授和合作团队与PerkinElmer技术团队共同合作，使用PerkinElmer的NexION ICP-MS用单细胞ICP-MS技术研究单核Ir1和双核Ir2光催化剂在单个癌细胞中的吸收和保留情况，该工作成果近日已发表在著名化学期刊Angewandte chemie。

图2 研究工作成果

实验部分

SC-ICP-MS分析Ir（III）光催化剂的实验操作步骤见图3：用药物培育细胞一段时间后，移除药物进行离心分离、洗涤、重悬，然后用SC-ICP-MS测试，经由软件得到单个细胞中Ir含量。

图3 SC- ICP-MS分析Ir（III）光催化剂的步骤

由图4可知随着细胞药物培育时间增加，SC-ICP-MS测得含有Ir的细胞个数及Ir信号强度增加。

图4 SC-ICP-MS得到单个癌细胞中Ir1和Ir2（10uM）摄入情况的时间-强度信号图

从图5看，Ir2培养的细胞内Ir含量显著2倍高于Ir1，这可能是由于Ir2化合物比Ir1有更高的亲脂性（logP Ir1/Ir2，0.13/0.54）促进了细胞对化合物的吸收。此外，通过SC-ICP-MS能得到每个癌细胞中吸收的Ir2含量从20到400ag不等，表明了细胞间对Ir2化合物的摄入情况存在差异性。因此，对比常规ICP-MS测定细胞平均摄入的方法，SC-ICP-MS能得到更多细胞药物摄入的详细信息。

图5 单个癌细胞中Ir1和Ir2（10uM）的Ir元素摄入质量频率图

同时，本研究还比较SC-ICP-MS对Ir1和Ir2化合物在细胞内的保留情况。当用Ir2培育细胞12h后除过量的Ir2，分析8h后细胞内Ir含量。移除药物8h后，单个细胞内Ir2含量几乎没有变化，表明Ir2在癌细胞中有很高的保留性。但同等条件下，Ir1在细胞中的浓度显著减少。SC-ICP-MS实验表明细胞对Ir2化合物的摄入率和保留率很高。根据报道，细胞内顺铂药物产生耐药性原因之一是细胞内药物的高流失性，Ir2化合物高效的保留性有望能克服耐药性问题。

图6 移除Ir1和Ir2培养基后，细胞内Ir质量随时间的保留情况

结论

本文研究了一种新型光催化活性、高生物相容性的有机金属双核铱化合物，使用珀金埃尔默NexION系列单细胞ICP-MS技术实现单个癌细胞内铱化合物（Ir1和Ir2）中Ir元素含量的快速、准确定量。结果表明，Ir2比Ir1有更高效的细胞摄取率和胞内保留效率，是一个高效光催化剂。在本文更多的研究工作中，也发现双核Ir2的光催化抗癌效果也比单核Ir1优异。这是第一次报道双核金属铱化合物能被运用于光催化抗癌研究，为光催化抗癌药物发展提供了更多展望。

原文文章信息：Single-Cell Quantification of a Highly Biocompatible Dinuclear Iridium(III) Complex for Photocatalytic Cancer Therapy. DOI: 10.1002/anie.202202098.

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