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【分析】武汉大学黄卫华团队JACS:纳米管/线杂化传感器实时定量单个活细胞溶酶体糖苷酶分泌

2026-10-08 19:34:22

在免疫系统中，分泌性溶酶体是一类兼具储存和释放功能的特殊溶酶体，能够响应外界刺激将内部生物活性酶等物质释放到胞外，参与质膜修复、组织再生以及病原防御等多种过程。分泌过程的紊乱或分泌酶量的异常，会导致废物清除障碍及细胞信号通路失调，与自身免疫病、免疫缺陷、癌症及神经退行性疾病密切相关。因此，发展能够在单细胞水平上实时定量监测溶酶体酶分泌的技术，对于深入解析相关疾病的发病机制并推动靶向治疗策略的开发具有重要意义。

然而，传统免疫染色等检测方法受限于终点检测和细胞固定，难以在保持细胞活性的同时实现对分泌过程的动态追踪。近期，武汉大学黄卫华教授团队在Journal of the American Chemical Society上发表研究成果，开发出结合人工底物与杂化纳米管-纳米线传感器（HNS）的全新技术策略，首次实现了单个活细胞多种溶酶体糖苷酶分泌的原位定量检测。

研究团队基于糖苷酶特异性识别糖苷键的特性，引入了糖苷酶特异性人工底物（Glyco-PAP）。该底物由糖苷与电活性分子对氨基苯酚（PAP）通过糖苷键连接而成，当糖苷酶识别并水解糖苷键后，可直接释放出具有电化学活性的PAP分子。利用这一原理，团队对4类主要溶酶体糖苷酶（α-葡萄糖苷酶（α-Glu）、β-葡萄糖苷酶（β-Glu）、α-甘露糖苷酶（α-Man）和β-半乳糖苷酶（β-Gal））的活性进行监测（图1）。在此基础上，团队利用θ管，构建了纳米管/线杂化传感器，其中纳米管用于向目标区域定点注射人工底物，纳米线电极（SiC@C NWE）则用于实时捕获PAP的氧化电流信号，从而将糖苷酶的生物活性转化为可定量测量的电化学信号（图2）。

图1. 实验原理及流程图

图2. HNS明场及SEM图片和电信号监测图

团队采用前期探究的巨噬细胞“沮丧吞噬”模型（Nat. Nanotechnol., 2024, 19, 524−533）为研究对象。当巨噬细胞试图吞噬高长径比的玻璃纳米纤维时，会形成开放性吞噬腔结构，进而诱导溶酶体向该区域迁移并释放内容物。共聚焦成像结果显示，处于“沮丧吞噬”状态的巨噬细胞内溶酶体数量显著增加，且沿纤维轴向分布，证实溶酶体已成功募集至吞噬腔区域（图3）。随后作者将HNS定位到巨噬细胞吞噬口处监测释放的溶酶体糖苷酶（图4）。

图3. 沮丧吞噬巨噬细胞溶酶体共聚焦成像图

电化学监测结果表明，将HNS定位于吞噬口处并喷射对应底物后，纳米线电极可记录到明显的氧化电流信号；而当传感器远离吞噬口或细胞经抑制剂处理时，无显著信号产生。通过定量换算，团队获得单个活巨噬细胞分泌的四种糖苷酶的活性数据，其中β-半乳糖苷酶活性最高，α-葡萄糖苷酶活性最低（图4）。

图4. 糖苷酶分泌安培监测图

在连续多次底物注射实验中，研究人员观察到糖苷酶的“补充分泌”现象。第一次分泌间隔20 min后，再次检测可观察到中等强度的信号响应。活细胞成像证实，这一现象源于溶酶体从胞质向吞噬口方向迁移并释放内含物糖苷酶。定量分析显示，补充分泌的酶活性约为第一次检测的20%，这一发现揭示了巨噬细胞通过溶酶体补充分泌维持免疫稳态的调节机制（图5）。

图5. 糖苷酶二次分泌安培监测图

综上所述，黄卫华团队发展了一种基于人工底物与杂化纳米管/线传感器的电化学策略，成功实现了对单个活细胞多种溶酶体糖苷酶分泌的实时定量监测。该工作定量揭示了巨噬细胞在沮丧吞噬过程中四种主要糖苷酶的分泌活性特点，并发现了溶酶体通过定向迁移实现酶补充的免疫稳态维持机制。这一策略为溶酶体功能研究、免疫代谢调控以及相关疾病药物筛选提供了全新的工具平台。

该研究工作发表于Journal of the American Chemical Society。武汉大学化学与分子科学学院博士后齐昱婷为文章第一作者，黄卫华教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的支持。

黄卫华教授课题组长期聚焦纳米电化学传感与单细胞分析研究。团队首创单根纳米线制备高性能纳米电化学传感器的方法，实现了对细胞内ROS/RNS、神经递质、葡萄糖、糖苷酶等关键分子的动态监测，在单细胞水平深化了对免疫细胞稳态调控和神经细胞胞吐模式等生理病理机制的认知。

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