A Cell-Surface-Specific Ratiometric Fluorescent Probe for Extracellular

Oct 16, 2018 - Extracellular acidity is correlated with the development of various pathological states and bulk pH measurements could not report surfa...
0 downloads 0 Views 10MB Size
Subscriber access provided by University of Sunderland

Article

A cell-surface-specific ratiometric fluorescent probe for extracellular pH sensing with solid-state fluorophore Yan Yang, Mengchan Xia, Hansen Zhao, Sichun Zhang, and Xinrong Zhang ACS Sens., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1021/acssensors.8b00514 • Publication Date (Web): 16 Oct 2018 Downloaded from http://pubs.acs.org on October 17, 2018

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Sensors

A cell‐surface‐specific ratiometric fluorescent probe for extracellular  pH sensing with solid‐state fluorophore  Yan Yang, Mengchan Xia, Hansen Zhao, Sichun Zhang*, Xinrong Zhang  Department of Chemistry, Beijing Key Laboratory of Microanalytical Methods and Instrumentation, Tsinghua  University, Beijing, 100084, P.R. China.  KEYWORDS: Extracellular pH, Ratiometric fluorescent probe, Cationic peptide, Cell‐surface‐specific, Solid‐state  fluorophore    ABSTRACT:  Extracellular  acidity  is  correlated  with  the  development  of  various  pathological  states  and  bulk  pH  measurements  couldn’t  report  surface  acidity.  In  this  study,  we  have  developed  a  ratiometric  fluorescent  probe  that  aggregates upon interaction with cells, allowing persistent labelling of cells and in situ measurement of cell surface pH.  The ternary nanoplatform is constructed by a convenient noncovalent combination of bovine serum albumin protected  gold nanoclusters (BSA‐AuNCs), fluorescein isothiocyanate (FITC) labeled cationic peptides (CPs) and FITC‐free CPs. The  red fluorescent AuNCs serve as reference fluorophore, while FITC labeled peptides act as specific recognition element for  H+ and FITC unlabeled peptides are used for delivery. The probe displays a sensitive fluorescence ratiometric response for  pH  in  the  range  of  5.0‐9.5  with  calculated  pKa  of  7.2.  Further  studies  have  demonstrated  that  this  nanosensor  also  has  properties  of  high  selectivity,  reversibility  to  pH  fluctuations  as  well  as  low  cytotoxicity.  The  new  surface  pH‐ measurement  tool  was  validated  in  mapping  extracellular  pH  and  monitoring  acidification  regarding  cell  metabolism,  demonstrating its potential for bioimaging and biosensing. 

The  pH  near  the  cell  surface  is  known  as  extracellular  pH  (pHe),  which  is  a  critical  parameter  associated  with  various  physiological  and  pathological  processes1‐2.  For  example,  acidic  pH  of  the  cellular  surface  is  proposed  to  be one of the significant indications of malignant tumors  related  to  tumor  metastasis3  and  chemotherapy  resistance4‐5. Extracellular pH has long been considered to  affect  the  rate  and  magnitude  of  ion  transit  processes  through  regulating  ion  channel  activity6.  Virus  infection  can  acidify  the  extracellular  surroundings7‐8  because  the  higher rate of ATP consumption would enhance glycolysis  efficiency and lactate in virus‐infected cells9. Moreover, as  a  representative  biological  event,  alterations  in  homeostasis  of  the  extracellular  environment  occur  very  early  in  a  disease  cascade  and  can  be  used  for  the  early  diagnosis  of  many  diseases,  including  cancer10.  These  findings  described  above  suggest  that  imaging  and  monitoring  the  pH  fluctuation  of  extracellular  microenvironment  could  provide  important  clues  to  understand  and  investigate  the  pH‐dependent  cell  behaviors which may be beneficial for guiding therapeutic  choices  and  aiding  therapeutic  agent  research  and  development.  Optical approaches are considered to be a noninvasive 

diagnostic  techniques  that  are  competent  to  provide  the  accurate  analysis  at  cellular  level11‐14.  Fluorescent  imaging  have been widely used for biological applications and the  ratiometric  strategy  is  especially  powerful  because  it  makes  measurements  independent  of  environmental  interferences,  probe  concentration  and  instrumental  factors,  allowing  more  accurate  measurement15‐17.  So  far,  several  pH‐sensitive  fluorescent  indicators  have  been  reported  for  ratiometric  detection  in  living  cells18‐20,  however,  the  challenge  of  using  these  probes  for  pHe  determination  is  to  retain  them  on  cell  membrane  and  record  pH  changes  near  the  cell  surface.  In  most  cases,  the  pH‐responsive  agents  are  small  molecule  dyes  distributed  in  an  entire  cell  and  are  washed  out  very  quickly21‐22.  Some  ratiometric  pH  sensors  based  on  nano‐ scaffolds  are  often  easily  internalized  by  cells  via  endocytosis  pathways,  thus  are  not  suitable  for  determination  of  extracellular  pH23‐24.  The  imaging  strategies  based  on  antibody  or  receptor  over‐expressed  on the cell surface would also result in the internalization  of  probe  and  taking  probe  away  from  the  surface25.  Attempts  have  been  made  to  establish  pHe  ratiometric  sensing  system  with  amphiphilic  polymers  or  pH  low  insertion  peptide  (PHLIP)  and  pH‐sensitive  indicator, 

ACS Paragon Plus Environment

ACS Sensors 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

where  nature  and  synthetic  polymers  such  as  PEG‐ phospholipid or peptides of the PHLIP family are used as  the  cell  membrane‐targeting  ligand,  while  a  pair  of  pH‐ sensitive  and  insensitive  fluorophores  or  fluorescence  resonance  energy  transfer  (FRET)  molecular  lead  to  ratiometric  readout,  thereby  ensuring  accurate  measurement  of  extracellular  pH26‐27.  The  use  of  recombinant  DNA  technology  has  made  it  possible  to  target  fluorescence  proteins  to  specific  subcellular  compartments,  especially  cell  membrane.  In  the  case  of  the genetically encoded ratiometric sensor28, the artificial  gene  encoding  membrane  probe  consisting  of  a  pH‐ sensitive  fluorescent  protein  and  a  pH‐insensitive  cyan  fluorescent  protein  was  expressed  near  the  plasma  membrane to determine the extracellular pH fluctuation.  Although the genetically engineered probes could realize  cell‐surface  identification  and  ratiometric  measurement,  it  suffers  from  the  drawbacks  of  complex  manipulation.  Wang29 et al. have described a  FRET‐based  ratiometric  i‐ motif  sensor  for  extracellular  pH  detection,  which  anchored  on  the  cell  surface  through  streptavidin‐biotin  interactions  and  responded  to  pH  via  pH‐dependent  single  stranded  DNA  (ssDNA)  structural‐switch.  Considering the rapid degradation of DNA via the serum  nucleases30,  stability  of  the  probe  need  to  be  carefully  assessed in vivo. As a consequence, there is still an urgent  need  for  simpler  strategies  to  in  situ  analyze  cell  surface  pH  of  living  cells  with  accuracy,  high‐sensitivity  and  resolution.  Recent  research  in  the  use  of  solid‐state  fluorochrome  for  the  preparation  of  molecular  probe  capable  of  providing  in  situ  and  high‐resolution  fluorescence  imaging  have  demonstrated  the  tremendous  potential  in  overcoming  the  problem  of  diffusive  signal  dilution31.  Cationic  peptides  are  a  class  of  small  peptides  with  the  high  number  of  lysine  and  arginine  amino  acids  present  in  their  sequence.  Owing  to  their  high  biocompatibility  and  diverse  nature,  such  molecules,  in  particular  cell  penetrating  peptides  (CPPs),  gained  considerable  attention as one of the promising carriers for transporting  bioactive  compounds32.  Normally,  cargoes  can  be  associated  with  peptides  through  the  covalent  link  or  electrostatic  interaction  and  the  translocation  process  involves  three  steps:  concentrating  CPP/cargo  complexes  on membranes, penetrating into cells and finally releasing  into  cytoplasm  or  specific  organelles33.  FITC  dye  is  previously  tagged  on  peptide  sequence  to  visualize  the  localization  of  peptide  in  cells34.  Meanwhile,  the  pH‐ indicative  property  of  FITC  fluorophore  endows  FITC‐ peptides  with  the  potential  of  pH  detection35.  We  therefore  sought  to  determine  if  FITC  labeled  highly  charged  cationic  peptides  could  form  stable  electrostatic  complexes  with  the  negatively  charged  protein  BSA  templated  AuNCs  and  realize  ratiometric  pH  sensing  at  cellular level. 

Page 2 of 10

Benefiting  from  the  affinity  of  CPs  for  plasma  membrane  and  the  outstanding  photoluminescence  properties of FITC and gold nanoclusters (AuNCs), herein,  we  proposed  a  fluorescent  nanosensor  (termed  as  FITC‐ FPen/FPen@AuNC)  for  ratiometric  monitoring  of  extracellular  pH.  As  shown  in  scheme  1,  the  nanocomposites  are  well  designed  to  fulfil  ratiometric  detection in which the pH‐insensitive AuNCs are used as  an internal reference, while FITC labeled cationic peptide  sequence  serve  as  specific  recognition  element  for  H+.  In  order  to  concentrate  the  nanocomposites  from  the  extravesicular medium  to the  cell  surface and  keep  them  on  membrane,  we  introduce  large  amount  of  unlabeled  cationic  FPen  peptide  to  increase  the  affinity  of  nanosensor  for  cell  membrane.  The  nanocomposites  are  stable  and  well  dispersed  in  culture  media,  but  accumulated  in  the  juxtamembrane  region  with  large  aggregations  upon  interacting  with  cells,  thus  making  persistent  stain  of  plasma  membrane  and  possible  diffusion‐resistant in situ detection of extracellular pH of  live  cells.  To  the  best  of  our  knowledge,  this  is  the  first  reported  fluorescent  probe  with  solid‐state  fluorophore  for ratiometric detecting pHe of living cells. Compared to  previous reported extracellular pH indicators, the ternary  nanosensor  has  the  following  properties:  (i)  The  capability  of  retaining  and  precipitating  on  cell  membrane  specifically  produce  a  local  and  consistent  fluorescent  signal  close  to  cell  membrane.  (ii)  The  ratiometric  mode  can  minimize  the  interference  of  the  complex  biological  environment,  resulting  in  a  more  accurate  analysis.  (iii)  The  excellent  biocompatibility  of  BSA‐AuNCs  can  reduce  the  cytotoxicity  of  peptides,  resulting  in  a  more  favorable  system  for  bioimaging  and  biosensing.  Furthermore,  the  convenient  noncovalent  synthesis  avoids  the  complicated  chemical  coupling  and  modification employed in conventional fluorescent probe.  This new surface pH‐measurement tool has been applied  to  ratiometric  map  and  monitor  the  pH  changes  in  the  extracellular  microenvironment  of  HeLa  cells.  Besides,  the  probe  was  also  validated  in  real‐time  tracking  the  cancer  cell  surface  acidification  correlating  with  normal  and high glucose metabolism.  

  Scheme  1.  Principle  of  the  developed  FITC‐ FPen/FPen@AuNC  nanosensor  for  ratiometric  extracellular pH sensing. 

2

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Sensors

EXPERIMENTAL SECTION   Materials and reagents. Gold (III) chloride trihydrate  (HAuCl4∙3H2O,  99%),  amino  acids,  glucose  were  purchased  from  Sigma‐Aldrich.  Bovine  serum  albumin  (BSA),  dialysis  membrane  (MWCO:  3500),  Cell  Counting  Kit  (CCK)  were  obtained  from  BioDee  BioTech  Co.,  Ltd.  (Beijing,  China).  Metal  salts,  valinmycin  were  obtained  from  Aladdin  Chemistry  Co.  Ltd.  (Shanghai,  China).  All  the  other  reagents  were  of  the  analytical  grade  and  used  without  further  purification.  All  Peptides  used  in  the  article  were  custom  ordered  from  GL  Biochem  Co.  Ltd.  (95%  purity,  Shanghai)  and  prepared  for  4  mM  stock  solutions  by  dissolving  powder  in  ultrapure  water.  Ultrapure  water  (18.2  MΩ.cm@25℃)  obtained  from  a  Milli‐Q  water  purification  system  (Millipore)  and  was  used throughout the experiment.  Synthesis  of  AuNCs,  Peptide@AuNC  nanocomposites.  BSA  protected  AuNCs  were  synthesized  according  to  a  classical  bio‐mineralization  method  with  a  slight  change36.  To  prepare  the  FITC‐ FPen@AuNC  and  FITC‐FPen/FPen@AuNC,  FITC‐FPen  and  FPen  stock  solution  (4  mM)  was  proportionally  dropped  into  the  AuNCs  solution  (25  mg/mL).  The  Peptide@AuNC  mixture  was  incubated  and  gently  mixed  overnight  at  25℃  to  obtain  the  nanocomposites.  The  probe  was  then  centrifuged  at  10,000  rpm  for  10  minutes  and filtered using 0.22 μm syringe filters.  Investigation  of  Size,  Zeta  Potential  and  Colloidal  Stability.  Dynamic  light  scattering  (DLS)  and  zeta  potential  analyses  of  AuNCs  and  Peptide@AuNC  nanocomposites  were  obtained  from  Malvern  Zetasizer  Nano ZS90 and were measured in 20mM B‐R buffer with  pH  of  7.4.  For  the  gel  electrophoresis,  AuNCs,  FITC‐ FPen@AuNC  and  FITC‐FPen/FPen@AuNC  were  loaded  on  1%  (w/v)  agarose  gel  for  1  hour  at  100  V  in  0.5×TAE  buffer. After migration, the bands were visualized  on the  gel with UV illumination at 265 nm.  Fluorescence  Experiments  in  Vitro.  In  the  fluorescence assays, samples were excited at 488 nm and  the  emission  was  collected  from  500  to  750  nm.  The  standard  fluorescence  pH  titration  of  FITC‐FPen@AuNC  conjugates  was  performed  in  B‐R  buffer  solutions  at  varied pH values. Briefly, 8 μL of FITC‐FPen (0.2 mM), 50  μL  of  AuNCs  solution  (100  mg/ml)  and  150  μL  of  B‐R  buffer  solutions  at  a  specific  pH  value  were  mixed.  After  gently shook overnight at 25℃, the fluorescence spectrum  were obtained on a JASCO FP‐8600 fluorophotometer.   Confocal  Fluorescence  Microscopy  Imaging.  The  nanosensor  was  excited  at  488  nm  and  the  fluorescence  signal  of  FITC  part  (green  channel)  was  collected  from  505  nm  to  575  nm  and  AuNCs  part  (red  channel)  was  collected  from  600  nm  to  700  nm.  To  study  the  location  of nanosensor on the cell membrane, cells were incubated  in  serum‐free  medium  containing  the  FITC‐

FPen/FPen@AuNC  for  5  h,  followed  by  washing  three  times  with  PBS  to  remove  unbound  probes.  For  extracellular  pH  calibration,  HeLa  cells  modified  with  probes  according  to  above  process  were  incubated  with  high  K+  buffer  solutions  at  varied  pH  values  in  the  incubator  for  15  min.  The  fluorescence  images  were  collected  on  an Olympus  FV1000  confocal  laser  scanning  microscope  with  a  60×  objective  lens  and  the  pH  calibration  curve  was  constructed  according  to  the  average  fluorescence  intensity  ratio  of  green  and  red  channel  in  selected  ROIs  on  cell  membrane.  The  fluorescence  images  were  analyzed  with  Olympus  software  (FV10‐ASW).  Pseudocolored  ratiometric  images  were  generated  by  matlab  software.  All  data  were  expressed as mean ± standard deviation.  RESULTS AND DISCUSSION   Design  and  Characterization  of  Peptide@AuNC.  The  as‐prepared  BSA‐AuNCs  solution  was  deep  brown  (Fig.  1A,  inset  a)  and  emitted  strong  fluorescence  at  638  nm (Fig. 1A, curve a). A further observation revealed that  the AuNCs was mono‐dispersed with an average size of ~1  nm, which was confirmed by HR‐TEM images (Fig. S1, SI).  The  peptide  solution  was  then  added  into  the  AuNCs  solution  to  form  nanocomposites  via  gentle  shake.  Since  FPen  is  a  cationic  peptide  with  isoelectric  point  (pI)  12.2  and  BSA‐AuNCs  retains  negatively  charged  property  like  template,  the  FPen  peptide  would  adsorb  to  the  AuNCs  by  electrostatic  force.  The  nanocomposites,  denoted  as  FITC‐FPen@AuNC,  consisting  of  FITC  labeled  FPen  peptide  and  AuNCs  shows  a  yellowish‐brown  color  and  brighter  than  AuNCs  itself  under  natural  light  (Fig.  1A,  inset  b).  When  excited  at  488  nm,  FITC‐FPen@AuNC  exhibited  typical  dual‐emission  signals  with  two  well‐ resolved  fluorescence  peaks  at  521  and  635  nm,  which  derived  from  FITC  fluorophore  tagged  on  peptide  and  AuNCs,  respectively  (Fig.  1A,  curve  b).  Compared  to  spectrums of FITC‐FPen and AuNCs, the maximum peaks  of  nanocomposites  was  almost  unchanged,  whereas  the  fluorescence  intensity  of  FITC  at  521  nm  markedly  decreased  and  intensity  of  AuNCs  at  635  nm  weakened  slightly  as  the  FITC‐FPen  linked  with  the  AuNCs.  We  speculate that the decrease in FITC fluorescence is due to  nanosurface  energy  transfer  (NSET)  mechanism  and  the  intensity  quenching  induced  by  NSET  was  demonstrated  to  depend  on  distance  from  dye  to  the  surface  of  the  nanoparticle37‐38. It is worth noting that the FPen peptide  we  used is  a relatively  long  sequence  with  27  amino acid  residues and the dye labeled on the peptide will be away  from  the  surface  of  AuNCs  when  they  interact,  thus  showing  a  lower  quenching  efficiency.  Additionally,  increasing  the  concentration  of  FITC‐FPen  would  cause  the continuous quenching of AuNCs’ fluorescence (Fig. S2  A, SI).   The  effective  translocation  of  cargoes  requires  high  concentration of peptides39‐40, however, excessive addition 

3

ACS Paragon Plus Environment

ACS Sensors 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 4 of 10

increased,  even  though the value was  up to 1 mM.  These  data indicate that FPen can associate with AuNCs to form  stable, noncovalent Peptide@AuNC. 

  Figure 1. The characterization of AuNCs and Peptide@AuNC  (A)  Fluorescence  spectra  of  the  (a)  AuNCs  (b)  FITC‐ FPen@AuNC (c) FITC‐FPen/FPen@AuNC and (d) FITC‐FPen  (2  μM)  in  PBS  (pH=7.4)  under  488  nm excitation. The  inset  shows  the  picture  of  AuNCs  and  Peptide@AuNC  solution  under  natural  light.  (B)  Size  distribution  of  (a)  AuNCs  (b)  FITC‐FPen@AuNC  and  (c)  FITC‐FPen/FPen@AuNC  determined  by  DLS.  (C)  Zeta‐potentials  of  (a)  AuNCs  (b)  FITC‐FPen@AuNC  and  (c)  FITC‐FPen/FPen@AuNC.  (D)  Electrophoretic mobility of (a) AuNCs (b) FITC‐FPen@AuNC  and  (c)  FITC‐FPen/FPen@AuNC  prepared  at  different  concentration of FPen (0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 1mM) in agarose  gel.  The  concentrations  of  the  reagents  used  in  each  experiment  are  as  follows:  25  mg/mL  for  AuNCs,  10  μM  for  FITC‐FPen  and  100  μM  for  FPen.  The  error  bar  represents   standard  deviations  based  on  three  independent  measurements. 

of  FITC‐FPen  would  reduce  fluorescence  intensity  of  AuNCs.  This  contradiction  was  solved  by  adding  unlabeled FPen to form a ternary system. As shown in Fig.  1A  (curve  c)  and  Fig.  S2  B,  association  of  unlabeled  FPen  to  FITC‐FPen@AuNC  did  not  affect  the  dual  emission  of  the  nanocomposites,  but  rather  helped  to  restore  the  fluorescence  intensity.  The  ternary  system  is  denoted  as  FITC‐FPen/FPen@AuNC and its formation was proved by  size and zeta‐potential measurements. As shown in Fig. 1B,  the average size of AuNCs in solution was 6.43 ± 0.13 nm  with  a  polydispersity  index  (PDI)  of  0.33  determined  by  DLS,  whereas  the  size  of  FITC‐FPen@AuNC  and  FITC‐ FPen/FPen@AuNC were 7.25 ± 0.11 nm (PDI = 0.32), 7.66  ± 0.10 nm (PDI = 0.31), respectively. As for zeta‐potential,  the  augment  from  ‐18.2  mV  for  free  AuNCs  to  ‐16.8  or  ‐ 14.7  mV  for  Peptide@AuNC  composites  indicated  strong  electrostatic  adsorption  and  charge  neutralization  between  AuNCs  and  peptides  (Fig.  1C).  Moreover,  stability  of  composite  was  testified  by  agarose‐based  gel  retardation  assays.  FITC‐FPen@AuNC  exhibited  a  reduced  mobility  when  incubated  with  FPen  and  the  overall  mobility  decreased  as  the  concentration  of  FPen 

Analytical  Performance  of  FITC‐FPen@AuNC.  The  fluorescence pH titration was conducted in B‐R buffer. As  shown  in  Fig.  2A,  the  fluorescence  intensity  at  521  nm  from  FITC‐FPen  gradually  enhanced  as  solution  pH  increased  from  5‐9.5,  while  the  fluorescence  intensity  at  635 nm ascribed to AuNCs just had a slight change. As a  result,  the  intensity  ratio  of  green  and  red  channels  I521/I635 continuously increased and showed good linearity  with pH values in the range of 6.1 ‐ 8.7 (R2 = 0.9956) (Fig.  S2 C, SI). The pKa value of probe was calculated to be 7.2  by using the Henderson‐Hasselbalch equation. Especially,  the  results  of  statistical  test  on  I521/I635  corresponding  to  two  adjacent  pH  values  indicate  that  the  FITC‐ FPen@AuNC  probe  could  distinguish  0.1  pH  unit  change  around its pKa (Table S2, SI), which is superior to that of  other  ratiometric  pH  sensors,  e.g.,  FITC‐derivatized  semiconductor  polymer  dots(0.5)41,  BSA‐stabilized  Ce/Au  nanoclusters(0.5)42,  FITC‐modified  carbon  dots(0.2)43,  FITC‐functionalized CdSe/CdZnS quantum dots (0.5)44.  The  photostability  of  FITC‐FPen@AuNC  nanocomposites  was  investigated  under  different  pH  conditions.  As  illustrated  in  Fig.  2C,  no  significant  changes  of  fluorescence  intensity  ratio  I521/I635  were  detected during intermittent radiation for 2 hours with an  interval  of  10  min.  To  test  the  pH  reversibility  of  nanosensor,  high  concentrations  of  acid  and  base  were  added  to  the  buffer  system  containing  probe  to  regulate  repeated  pH  changes.  The  determination  of  fluorescence  intensity  ratio  indicated  favorable  reversibility  of  FITC‐ FPen@AuNC probe when pH was switched between 6.50  and 8.59 for three cycles (Fig. 2D).   Excellent  selectivity  is  the  prerequisite  for  application  of  sensors  to  complicated  biological  systems,  so  the  selectivity experiments were performed by measuring the  dual  emission  intensity  ratio  of  the  nanosensor  in  the  presence  of  potential  interfering  substance  under  three  different  pH  conditions.  The  scope  of  the  examination  covered  metal  cations  and  active  small  molecules,  which  are widespread in living organisms. As exhibited in Fig. S3  A  and  B,  no  obvious  changes  in  the  I521/I635  ratio  were  observed  when  introduced  above  species  to  the  buffer  solution  containing  FITC‐FPen@AuNC  under  the  same  pH  value.  These  experiments  suggested  applicability  of  our  nanosensor  for  sensing  and  imaging  in  biological  systems  with  high  resolution,  good  selectivity,  favorable  reversibility and stability.  Cell  Membrane  Labelling  with  FITC‐ FPen/FPen@AuNC.  The  ternary  nanosensor  FITC‐ FPen/FPen@AuNC was applied to cell imaging. Under the  optimal experiment conditions, the fluorescence signal of  nanosensor was observed in both green and red channels,  interestingly, which came primarily from the cell 

4

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Sensors

  Figure  2.  Analytical  performance  of  FITC‐FPen@AuNC  (A)  Fluorescence  spectra  of  the  ratiometric  nanosensor  in  buffer  solutions at varied pH values. (B) Plot of I521/I635 versus the pH value. (C) Photostability of FITC‐FPen@AuNC under different pH  value of 6.58, 7.50 and 8.46 for 2 h. (D) Fluorescence reversibility responses of FITC‐FPen@AuNC between pH 6.50 and 8.59. I521  and I635 are the fluorescence intensity at 521 nm and 635 nm, respectively. The error bar represents standard deviations based on  three independent measurements. 

membrane as shown in Fig. 3B, 3C. To determine if FITC‐ FPen/FPen@AuNC  was  located  on  the  cell  surface,  HeLa  cells  modified  with  nanosensor  were  imaged  before  and  after  treatment  with  Trypan  Blue,  which  is  membrane  impermeable  and  capable  of  quenching  the  emission  of  fluorophores  in  the  range  of  500‐600  nm45.  The  fluorescence  signal  of  green  channel  (Fig.  3F)  was  completely  quenched,  while  red  channel  (Fig.  3G)  remained  intact,  indicating  that  nanocomposites  is  indeed  located  in  the  extracellular  space.  Moreover,  the  results  of  a  z‐axis  depth  scanning  experiment  also  revealed that the fluorescence in all z‐axis planes derived  from the cell surface zone (Fig. S7, SI).  To  ascertain  whether  peptides  and  AuNCs  dissociate  after  anchoring  on  cell  membrane,  we  chose  a  region  of  interest  (ROI)  in  one  HeLa  cell.  As  illustrated  in  Fig  3H,  the fluorescence signal of green channel co‐localized with  red  channel  in  the  region  and  the  Pearson’s  correlation  and  overlap  coefficient  were  0.9019  and  0.9778,  respectively.  This  indicates  that  peptides  remain  associated with AuNCs following cellular interaction. The  cytotoxicity  of  nanosensor  was  evaluated  by  standard  CCK  assay.  Cells  were  exposed  to  FITC‐ FPen/FPen@AuNC  and  mixture  of  FITC‐FPen  and  FPen  with  the  same  peptide  concentration.  About  93%,  79%  and 81% cell viability could be estimated after incubating  with Peptide@AuNC conjugates for 6 h, 12 h and 24 h, but  only 82%, 71% and 64% viability was obtained incubating  with  peptides  alone  (Fig.  S4,  SI).  These  findings 

confirmed that the nanocomposites exhibited low toxicity  to  cells,  even  better  than  CPs,  possibly  due  to  desirable  biocompatibility  of  BSA  stabilized  AuNCs.  Furthermore,  the  confocal  imaging  in  Fig.  S8  shows  the  successful  modification of the nanosensor on the membrane of other  cell  types  including  cancer  cells  (MCF‐7,  A549)  and  normal cells (MCF‐10A), thereby proving the generality of  the strategy.   The  distinguished  large  aggregations  from  the  differential  interference  contrast  (DIC)  image  in  Fig.  3A  indicate  the  probe  accumulated  on  membrane  forming  solid‐state fluorophore. To further confirm that the probe  retains  on  cell  surface  with  solid‐state,  we  treated  modified  HeLa  cells  with  valinomycin  which  is  reported  to  be  used  to  regulate  cell  membrane  potential46.  The  affinity  of  CPP/cargo  complexes  to  cell  membrane  is  primarily  initiated  by  electrostatic  interactions  between  complexes  and  negatively  charged  plasma  membrane47  and changes of plasma‐membrane potential will break the  electrostatic  adsorption  between  the  probe  and  cell  membrane,  causing  the  released  soluble  fluorophores  to  diffuse  away  from  the  membrane  surface.  Surprisingly,  even  treated  with  valinomycin  as  long  as  12  hours  and  cells  presented  an  apoptotic  state,  the  intense  dual  fluorescence of nanocomposites could still be observed on  the cell surface (Fig. S9, SI), implying that the nanosensor  exists  as  precipitates  on  the  cell  surface.  The  same  phenomenon  observed  in  the  process  of  cell  apoptosis  induced by hydrogen peroxide also supports this 

5

ACS Paragon Plus Environment

ACS Sensors 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 6 of 10

 

Figure 3. Location of FITC‐FPen/FPen@AuNC. (A ‐ D) Confocal images of HeLa cells modified with FITC‐FPen/FPen@AuNC. (H)  The  relationship  between  signals  of  green  and  red  channels  in  ROI  chosen  from  Fig.  3D.  (E  ‐  G)  FITC‐FPen/FPen@AuNC  modified HeLa cells treated with 20 μg/ml Trypan Blue. Scale bar: 10 μm. 

conclusion (Fig. S9, SI).   The formation of large aggregates could be ascribed to  the  interaction  between  nearly  electro‐neutral  charged  FITC‐FPen/FPen@AuNC  nanocomposites  and  anionic  lipid membrane48. Before aggregation, the nanosensor will  first  concentrate  on  the  cell  surface  from  bulk  solution  and we speculate this anchoring should be related to the  special  amino  acid  sequence  of  the  FPen  peptide.  The  FPen  sequence  is  rationally  designed  to  modify  a  phenylalanine  at  the  N‐terminal  of  penetratin  peptide  (denoted as Pen), which is a classic cationic peptide with  excellent  transport  ability  for  protein.  Some  literatures  have  reported  the  special  interaction  of  N‐terminal  phenylalanine  and  cells49‐50.  Additionally,  there  is  a  cysteine  at  the  C‐terminus  of  FPen  and  this  reactive  amino  acid  could  contribute  to  complexation  of  peptide  with BSA and also plasma membrane affinity51. In order to  determine  which  moiety  of  FPen  sequence  is  the  key  factor  in  the  probe  targeting  cell  membrane,  we  selected  two of FPen related peptide to investigate their delivery of  AuNCs  (listed  in  Table  S1,  SI).  These  sequences  include  Pen,  the  parent  peptide  of  FPen  and  a  random  sequence  that  replaces  hydrophobic  amino  acids  including  phenylalanine  in  FPen.  As  illustrated  in  Fig.  S10,  only  FPen@AuNC  complex  could  target  cell  membrane  and  present red fluorescence derived from AuNCs. Two other  complexes,  Pen@AuNC  and  random@AuNC,  similar  to  AuNCs alone, entered cells. By comparing the amino acid  sequences  of  three  peptides,  we  infer  that  the  modification of N‐terminal phenylalanine in FPen peptide  plays  an  important  role  in  keeping  probe  on  the  cell  surface.  Therefore,  the  synergy  between  CP  containing  distal  phenylalanine  and  electrostatic  neutralization  of  AuNCs  together  induces  accumulation  of  composites  on 

cell  surface  and  eventually  form  larger  precipitation,  which  hampers  further  transmembrane  transport  of  the  probe.  Extracellular  pH  Calibration.  Inspired  by  specific  location  of  FITC‐FPen/FPen@AuNC  at  the  plasma  membrane  and  its  outstanding  performance  in  vitro,  we  tried  to  employ  this  nanosensor  for  ratiometric  mapping  and  monitoring  the  pH  changes  in  the  extracellular  microenvironment  of  tumor  cells.  FITC‐ FPen/FPen@AuNC  labeled  HeLa  cells  were  subjected  to  confocal microscopy  with  changing  the external buffered  solutions stepwisely from pH 5.94 to 8.78. As expected, a  significant  reduction  of  the  emission  intensity  of  green  channel  was  observed  with  the  decrease  of  the  extracellular  pH,  while  the  red  channel  barely  changed,  thereby presenting a distinctive ratio images (Fig. 4). For  the  quantitative  analysis,  regions  of  interest  (ROIs)  were  set  on  the  plasma  membrane,  in  which  the  fluorescence  intensity  ratio  was  calculated.  The  fluorescence  ratio  of  two  channels  showed  good  linearity  with  external  pH  in  the  range  of  5.96  ‐  8.78  as  plotted  in  Fig.  5A.  Moreover,  the  dual  fluorescence  signals  respond  reversibly  to  the  repetitive  external  pH  alteration  as  observed  for  the  response  in  the  buffer  (Fig.  S11,  SI),  thus  making  our  nanosensor  reusable  during  long‐term  tracking  the  continuous pH fluctuation.  Application  for  Tracking  Cells  Metabolism.  To  further  validate  the  applicability  in  living  cells,  the  nanosensor  was  exploited  for  tracking  pH  variation  of  extracellular  environment  in  the  process  of  cells  growth  and  metabolism.  HeLa  cells  modified  with  FITC‐ FPen/FPen@AuNC  were  washed  with  PBS  buffer  to  remove free probes and then observed by confocal laser 

6

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Sensors

Figure 4. Confocal and ratio images of FITC‐FPen/FPen@AuNC modified HeLa cells exposed to external media at pH 5.94, 6.24,  6.86, 7.36, 7.90, 8.42 and 8.78. The color strip represents the pseudocolor change with pH. Scale bar: 20 μm. 

scanning  microscope at  different times. As shown in  Fig.  5B,  first  group,  an  apparent  decrease  in  extracellular  pH  reflected via intensity ratio of green channel and red one  was  observed  with  the  time  of  cells  proliferation  and  metabolism,  revealing  gradual  acidification  of  the  microenvironment  on  the  cancer  cell  surface.  Additionally,  the  calibrated  FITC‐FPen/FPen@AuNC  was  also  utilized  to  reflect  the  degree  of  acidification  produced by high glucose metabolism in cancer cells. The  nanosensor  modified  HeLa  cells  were  cultured  in  the  medium  supplemented  with  additional  D‐glucose,  which  enhances  and  promotes  cellular  metabolism27  and  then  the fluorescence ratio of green and red channel at the cell  surface  were  measured  at  different  intervals.  The  second  group  in  Fig.  5B  shows  the  extracellular  pH  obviously  decreased  with  the  incubation  time  growing.  More  importantly, the change of pH values in the group added  glucose (Fig. 5B second group) was more significant than  that  of  the  first  group  in  normal  culture  medium,  indicating  that  acidification  of  the  extracellular  space  of  cells occurred at a much greater rate after administration  of  glucose.  These  results  clearly  demonstrated  the  feasibility  of  our  nanosensor  for  extracellular  pH  determine,  making  the  probe  a  promising  tool  in  real‐ time bioimaging.  CONCLUSIONS   In  summary,  we  report  a  fluorescence  nanosensor  that  allows  for  sustained  tagging  and  ratiometric  pH  measurement  at  the  surface  of  living  cells.  The  ternary  nanosensor  is  composed  of  FITC‐labeled  or  unlabeled  FPen  peptide  sequence  and  BSA‐stabilized  AuNCs  through  a  facile  noncovalent  approach.  It  is  capable  of  anchoring on cell surface with aggregated state to achieve 

in  situ  extracellular  pH  imaging.  By  using  the  inherent  excellent  properties  of  pH‐sensitive  FITC  dye  and  pH  stable  AuNCs,  a  ratiometric  fluorescence  detection  of  extracellular  pH  with  high  sensitivity,  excellent  reversibility  as  well  as  low  cytotoxicity  was  successfully  achieved.  As  a  proof‐of‐concept,  the  extracellular  acidity  mapping  of  HeLa  cells  in  different  pH  conditions  were  realized.  Moreover,  the  acidification  of  cell  surface  in  normal  and  high  glucose  metabolism  was  successfully  monitored. We expect that the probe will be widely used  in  subcellular  detection  after  the  replacement  of  appropriate  indicator  molecules  and  specific  CPPs  sequences. 

  Figure 5. (A) Plot of emission intensity ratio (Green channel /  Red  channel)  of  HeLa  cells  modified  with  FITC‐ FPen/FPen@AuNC  probes  vs  extracellular  pHs  (5.94,  6.24,  6.86,  7.36,  7.90,  8.42,  8.78).  (B)  The  variety  of  extracellular  pH  of  FITC‐FPen/FPen@AuNC  modified  HeLa  cells  in  normal and high glucose metabolism. The amount of glucose  added  is  100  mM.  The  error  bar  represents  standard  deviations  based  on  fluorescence  intensity  ratio  extracted  from at least 15 individual ROIs.  

7

ACS Paragon Plus Environment

ACS Sensors 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ASSOCIATED CONTENT   Supporting Information.   The Supporting Information is available free of charge on the  ACS Publications website.  Some experimental details, including cell culture, CCK assay,  interference  study  and  cell  imaging  condition  optimization.  Additional fluorescence spectra and images.   

AUTHOR INFORMATION  Corresponding Author  Email: [email protected] 

ORCID:   Sichun Zhang: 0000-0001-8927-2376   

Notes  The authors declare no competing financial interest. 

ACKNOWLEDGMENT   This  research was  supported by  the  Ministry  of  Science  and  Technology  of  China  (2016YFF0100301)  and  the  National  Natural Science Foundation of China (No. 21390410, 21727813  and 21621003) 

REFERENCES  1.  Pezzulo,  A.  A.;  Tang,  X.  X.;  Hoegger,  M.  J.;  Abou  Alaiwa, M. H.;  Ramachandran,  S.;  Moninger,  T.  O.; Karp,  P. H.;  Wohlford‐Lenane, C. L.; Haagsman, H. P.; van Eijk, M.; Banfi, B.;  Horswill, A. R.; Stoltz, D. A.; McCray, P. B.; Welsh, M. J.; Zabner,  J.,  Reduced  Airway  Surface  pH  Impairs  Bacterial  Killing  in  the  Porcine Cystic Fibrosis Lung. Nature 2012, 487 (7405), 109‐113.  2.  Paschen, W.; Djuricic, B.; Mies, G.; Schmidtkastner, R.;  Linn,  F.,  Lactate  and  pH  in  the  Brain:  Association  and  Dissociation  in  Different  Pathophysiological  States.  J.  Neurochem. 1987, 48 (1), 154‐159.  3.  Hashim,  A.  I.;  Zhang,  X.  M.;  Wojtkowiak,  J.  W.;  Martinez,  G.  V.;  Gillies,  R.  J.,  Imaging  pH  and  metastasis.  NMR  Biomed. 2011, 24 (6), 582‐591.  4.  Wojtkowiak,  J.  W.;  Verduzco,  D.;  Schramm,  K.  J.;  Gillies, R. J., Drug Resistance and Cellular Adaptation to Tumor  Acidic pH Microenvironment. Mol. Pharm. 2011, 8 (6), 2032‐2038.  5.  Kato, Y.; Ozawa, S.; Miyamoto, C.; Maehata, Y.; Suzuki,  A.;  Maeda,  T.;  Baba,  Y.,  Acidic  Extracellular  Microenvironment  and Cancer. Cancer Cell Int. 2013, 13, 89‐96.  6.  Lambers, T. T.; Oancea, E.; de Groot, T.; Topala, C. N.;  Hoenderop,  J.  G.;  Bindels,  R.  J.,  Extracellular  pH  Dynamically  Controls  Cell  Surface  Delivery  of  Functional  TRPV5  Channels.  Mol. Cell. Biol. 2007, 27 (4), 1486‐1494.  7.  Singh,  V.  N.;  Singh,  M.;  August,  J.  T.;  Horecker,  B.  L.,  Alterations  in  Glucose‐Metabolism  in  Chick‐Embryo  Cells  Transformed  by  Rous‐Sarcoma  Virus  ‐  Intracellular  Levels  of  Glycolytic  Intermediates.  Proc.  Natl.  Acad.  Sci.  U.  S.  A.  1974,  71  (10), 4129‐4132.  8.  Liu, H.; Maruyama, H.; Masuda, T.; Honda, A.; Arai, F.,  The  Influence  of  Virus  Infection  on  the  Extracellular  pH  of  the  Host Cell Detected on Cell Membrane. Front. Microbiol. 2016, 7,  1127‐1135. 

Page 8 of 10

9.  Guinea,  R.;  Carrasco,  L.,  Requirement  for  Vacuolar  Proton‐Atpase Activity during Entry of Influenza‐Virus into Cells.  J. Virol. 1995, 69 (4), 2306‐2312.  10.  Fan,  Z.;  Zhou,  S.;  Garcia,  C.;  Fan,  L.;  Zhou,  J.,  pH‐ Responsive  Fluorescent  Graphene  Quantum  Dots  for  Fluorescence‐guided  Cancer  Surgery  and  Diagnosis.  Nanoscale  2017, 9 (15), 4928‐4933.  11.  Wang, J.; Xue, J.; Yan, Z.; Zhang, S.; Qiao, J.; Zhang, X.,  Photoluminescence Lifetime Imaging of Synthesized Proteins in  Living Cells Using an Iridium‐Alkyne Probe. Angew. Chem. Int.  Ed. Engl. 2017, 56 (47), 14928‐14932.  12.  Xu, H.; Li, Q.; Wang, L.; He, Y.; Shi, J.; Tang, B.; Fan, C.,  Nanoscale Optical Probes for Cellular Imaging. Chem. Soc. Rev.  2014, 43 (8), 2650‐61.  13.  Xia,  M.; Cai,  L.;  Zhang,  S.;  Zhang,  X.,  Cell‐Penetrating  Peptide  Spirolactam  Derivative  as  a  Reversible  Fluorescent  pH  Probe for Live Cell Imaging. Anal. Chem. 2017, 89, 1238‐1243.  14.  Ji, A.; Fan, Y.; Ren, W.; Zhang, S.; Ai, H. W., A Sensitive  Near‐Infrared  Fluorescent  Sensor  for  Mitochondrial  Hydrogen  Sulfide. ACS Sens 2018, 3 (5), 992‐997.  15.  Yang,  Y.;  Lei,  Y.;  Zhang,  X.;  Zhang,  S.,  A  Ratiometric  Strategy  to  Detect  Hydrogen  Sulfide  with  a  Gold  Nanoclusters  Based Fluorescent Probe. Talanta 2016, 154, 190‐6.  16.  Xue,  Z.;  Zhao,  H.;  Liu,  J.;  Han,  J.;  Han,  S.,  Imaging  Lysosomal  pH  Alteration  in  Stressed  Cells  with  a  Sensitive  Ratiometric Fluorescence Sensor. ACS Sens 2017, 2 (3), 436‐442.  17.  Shamirian,  A.;  Afsari,  H.  S.;  Hassan,  A.;  Miller,  L.  W.;  Snee,  P.  T.,  In  vitro  Detection  of  Hypoxia  using  a  Ratiometric  Quantum Dot‐based Oxygen Sensor. ACS Sens 2016, 1 (10), 1244‐ 1250.  18.  Wu,  L.;  Li,  X.;  Huang,  C.;  Jia,  N.,  Dual‐Modal  Colorimetric/Fluorescence  Molecular  Probe  for  Ratiometric  Sensing  of  pH  and  Its  Application.  Anal.  Chem.  2016,  88  (16),  8332‐8.  19.  Ma,  T.;  Hou,  Y.;  Zeng,  J.;  Liu,  C.;  Zhang,  P.;  Jing,  L.;  Shangguan,  D.;  Gao,  M.,  Dual‐Ratiometric  Target‐Triggered  Fluorescent  Probe  for  Simultaneous  Quantitative  Visualization  of Tumor Microenvironment Protease Activity and pH in Vivo. J.  Am. Chem. Soc. 2018, 140 (1), 211‐218.  20.  Li, K.; Feng, Q.; Niu, G.; Zhang, W.; Li, Y.; Kang, M.; Xu,  K.; He, J.; Hou, H.; Tang, B. Z., Benzothiazole‐Based AIEgen with  Tunable  Excited‐State  Intramolecular  Proton  Transfer  and  Restricted  Intramolecular  Rotation  Processes  for  Highly  Sensitive Physiological pH Sensing. ACS Sens 2018, 3 (5), 920‐928.  21.  Chen, S. J.; Hong, Y. N.; Liu, Y.; Liu, J. Z.; Leung, C. W.  T.; Li, M.; Kwok, R. T. K.; Zhao, E. G.; Lam, J. W. Y.; Yu, Y.; Tang,  B.  Z.,  Full‐Range  Intracellular  pH  Sensing  by  an  Aggregation‐ Induced Emission‐Active Two‐Channel Ratiometric Fluorogen. J.  Am. Chem. Soc. 2013, 135 (13), 4926‐4929.  22.  Tang,  B.;  Yu,  F.;  Li,  P.;  Tong,  L.  L.;  Duan,  X.;  Xie,  T.;  Wang,  X.,  A  Near‐Infrared  Neutral  pH  Fluorescent  Probe  for  Monitoring  Minor  pH  Changes:  Imaging  in  Living  HepG2  and  HL‐7702 Cells. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (8), 3016‐3023.  23.  Nareoja,  T.;  Deguchi,  T.;  Christ,  S.;  Peltomaa,  R.;  Prabhakar, N.; Fazeli, E.; Perala, N.; Rosenholm, J. M.; Arppe, R.;  Soukka, T.; Schaferling, M., Ratiometric Sensing and Imaging of  Intracellular  pH  Using  Polyethylenimine‐Coated  Photon  Upconversion Nanoprobes. Anal. Chem. 2017, 89 (3), 1501‐1508.  24.  Shi,  W.;  Li,  X.  H.;  Ma,  H.  M.,  A  Tunable  Ratiometric  pH  Sensor  Based  on  Carbon  Nanodots  for  the  Quantitative  Measurement  of  the  Intracellular  pH  of  Whole  Cells.  Angew.  Chem. Int. Ed. Engl. 2012, 51 (26), 6432‐6435. 

8

ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

ACS Sensors

25.  Depalo,  N.;  Corricelli,  M.;  De  Paola,  I.;  Valente,  G.;  Iacobazzi,  R.  M.;  Altamura,  E.;  Debellis,  D.;  Comegna,  D.;  Fanizza, E.; Denora, N.; Laquintana, V.; Mavelli, F.; Striccoli, M.;  Saviano, M.; Agostiano, A.; Del Gatto, A.; Zaccaro, L.; Curri, M. L.,  NIR  Emitting  Nanoprobes  Based  on  Cyclic  RGD  Motif  Conjugated  PbS  Quantum  Dots  for  Integrin‐Targeted  Optical  Bioimaging. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (49), 43113‐43126.  26.  Ke,  G.;  Zhu,  Z.;  Wang,  W.;  Zou,  Y.;  Guan,  Z.;  Jia,  S.;  Zhang,  H.;  Wu,  X.;  Yang,  C.  J.,  A  Cell‐surface‐anchored  Ratiometric Fluorescent Probe for Extracellular pH Sensing. ACS  Appl. Mater. Interfaces 2014, 6 (17), 15329‐34.  27.  Anderson,  M.;  Moshnikova,  A.;  Engelman,  D.  M.;  Reshetnyak, Y. K.; Andreev, O. A., Probe For the Measurement of  Cell Surface pH in Vivo and Ex Vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S.  A. 2016, 113 (29), 8177‐81.  28.  Urra,  J.;  Sandoval,  M.;  Cornejo,  I.;  Barros,  L.  F.;  Sepulveda,  F.  V.;  Cid,  L.  P.,  A  Genetically  Encoded  Ratiometric  Sensor  to  Measure  Extracellular  pH  in  Microdomains  Bounded  by Basolateral Membranes of Epithelial Cells. Pflugers Arch ‐ Eur.  J. Physiol. 2008, 457 (1), 233‐242.  29.  Ying,  L.;  Xie,  N.;  Yang,  Y.;  Yang,  X.;  Zhou,  Q.;  Yin,  B.;  Huang, J.; Wang, K., A Cell‐surface‐anchored Ratiometric I‐motif  Sensor for Extracellular pH Detection. Chem. Commun. (Camb.)  2016, 52 (50), 7818‐21.  30.  Shi, H.; He, X. X.; Cui, W. S.; Wang, K. M.; Deng, K.; Li,  D.; Xu, F. Z., Locked Nucleic acid/DNA Chimeric Aptamer Probe  for  Tumor  Diagnosis  with  Improved  Serum  Stability  and  Extended  Imaging Window  in Vivo. Anal. Chim.  Acta 2014, 812,  138‐144.  31.  Liu, H. W.; Li, K.; Hu, X. X.; Zhu, L.; Rong, Q.; Liu, Y.;  Zhang,  X.  B.;  Hasserodt,  J.;  Qu,  F.  L.;  Tan,  W.,  In  Situ  Localization  of  Enzyme  Activity  in  Live  Cells  by  a  Molecular  Probe  Releasing  a  Precipitating  Fluorochrome.  Angew.  Chem.  Int. Ed. Engl. 2017, 56 (39), 11788‐11792.  32.  Grdisa,  M.,  The  Delivery  of  Biologically  Active  (Therapeutic) Peptides and Proteins into Cells. Curr. Med. Chem.  2011, 18 (9), 1373‐1379.  33.  Di  Pisa,  M.;  Chassaing,  G.;  Swiecicki,  J.  M.,  Translocation  Mechanism(s)  of  Cell‐penetrating  Peptides:  Biophysical  Studies  Using  Artificial  Membrane  Bilayers.  Biochemistry 2015, 54 (2), 194‐207.  34.  Mishra,  A.;  Lai,  G.  H.;  Schmidt,  N.  W.;  Sun,  V.  Z.;  Rodriguez,  A.  R.;  Tong,  R.;  Tang,  L.;  Cheng,  J.  J.;  Deming,  T.  J.;  Kamei, D. T.; Wong, G. C. L., Translocation of HIV TAT peptide  and  analogues  induced  by  multiplexed  membrane  and  cytoskeletal interactions. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108  (41), 16883‐16888.  35.  Xia, M. C.; Cai, L. S.; Zhang, S. C.; Zhang, X. R., A Cell‐ penetrating Ratiometric Probe for Simultaneous Measurement of  Lysosomal and Cytosolic pH Change. Talanta 2018, 178, 355‐361.  36.  Xie,  J.  P.;  Zheng,  Y.  G.;  Ying,  J.  Y.,  Protein‐Directed  Synthesis of Highly Fluorescent Gold Nanoclusters. J. Am. Chem.  Soc. 2009, 131 (3), 888‐889.  37.  Yun, C. S.;  Javier, A.; Jennings, T.;  Fisher,  M.;  Hira,  S.;  Peterson, S.; Hopkins, B.; Reich, N. O.; Strouse, G. F., Nanometal  Surface  Energy  Transfer  in  Optical  Rulers,  Breaking  the  FRET  Barrier. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127 (9), 3115‐3119.  38.  Jennings, T. L.; Singh, M. P.; Strouse, G. F., Fluorescent  Lifetime Quenching near d = 1.5 nm Gold Nanoparticles: Probing  NSET Validity. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128 (16), 5462‐5467.  39.  Watkins,  C.  L.;  Brennan,  P.;  Fegan,  C.;  Takayama,  K.;  Nakase, I.;  Futaki,  S.; Jones,  A. T., Cellular Uptake,  Distribution 

and  Cytotoxicity  of  the  Hydrophobic  Cell  Penetrating  Peptide  Sequence  PFVYLI  Linked  to  The  Proapoptotic  Domain  Peptide  PAD. J. Control. Release 2009, 140 (3), 237‐244.  40.  Yadav,  S.;  Mahato,  M.;  Pathak,  R.;  Jha,  D.;  Kumar,  B.;  Deka, S. R.; Gautam, H. K.; Sharma, A. K., Multifunctional Self‐ assembled  Cationic  Peptide  Nanostructures  Efficiently  Carry  Plasmid  DNA  in  Vitro  and  Exhibit  Antimicrobial  Activity  with  Minimal Toxicity. J. Mater. Chem. B 2014, 2 (30), 4848‐4861.  41.  Chan, Y. H.; Wu, C. F.; Ye, F. M.; Jin, Y. H.; Smith, P. B.;  Chiu,  D.  T.,  Development  of  Ultrabright  Semiconducting  Polymer  Dots  for  Ratiometric pH  Sensing.  Anal.  Chem.  2011,  83  (4), 1448‐1455.  42.  Chen, Y. N.; Chen, P. C.; Wang, C. W.; Lin, Y. S.; Ou, C.  M.;  Ho,  L.  C.;  Chang,  H.  T.,  One‐pot  Synthesis  of  Fluorescent  BSA  Ce/Au  Nanoclusters  as  Ratiometric  pH  Probes.  Chem.  Commun. 2014, 50 (62), 8571‐8574.  43.  Nie, H.; Li, M. J.; Li, Q. S.; Liang, S. J.; Tan, Y. Y.; Sheng,  L.;  Shi,  W.;  Zhang,  S.  X.  A.,  Carbon  Dots  with  Continuously  Tunable  Full‐Color  Emission  and  Their  Application  in  Ratiometric pH Sensing. Chem. Mater. 2014, 26 (10), 3104‐3112.  44.  Jin,  T.;  Sasaki,  A.;  Kinjo,  M.;  Miyazaki,  J.,  A  Quantum  Dot‐based Ratiometric pH Sensor. Chem. Commun. 2010, 46 (14),  2408‐2410.  45.  Loike,  J.  D.;  Silverstein,  S.  C.,  A  Fluorescence  Quenching  Technique  Using  Trypan  Blue  to  Differentiate  between  Attached  and  Ingested  Glutaraldehyde‐Fixed  Red‐ Blood‐Cells in Phagocytosing Murine Macrophages. J. Immunol.  Methods 1983, 57 (1‐3), 373‐379.  46.  Poulin, R.; Zhao, C. Q.; Verma, S.; Charest‐Gaudreault,  R.;  Audette,  M.,  Dependence  of  Mammalian  Putrescine  and  Spermidine  Transport  on  Plasmamembrane  Potential:  Identification  of  an  Amiloride  Binding  Site  on  The  Putrescine  Carrier. Biochem. J 1998, 330, 1283‐1291.  47.  Noguchi, H.; Matsushita, M.; Kobayashi, N.; Levy, M. F.;  Matsumoto,  S.,  Recent  Advances  in  Protein  Transduction  Technology. Cell Transplant. 2010, 19 (6‐7), 649‐654.  48.  He,  Z.;  Liu,  Z.;  Tian,  H.;  Hu,  Y.;  Liu,  L.;  Leong,  K.  W.;  Mao,  H.  Q.;  Chen,  Y.,  Scalable  Production  of  Core‐shell  Nanoparticles  by  Flash  Nanocomplexation  to  Enhance  Mucosal  Transport  for  Oral  Delivery  of  Insulin.  Nanoscale  2018,  10  (7),  3307‐3319.  49.  Sayers, E. J.; Cleal, K.; Eissa, N. G.; Watson, P.; Jones, A.  T.,  Distal  Phenylalanine  Modification  for  Enhancing  Cellular  Delivery  of  Fluorophores,  Proteins  and  Quantum  Dots  by  Cell  Penetrating Peptides. J. Control. Release 2014, 195, 55‐62.  50.  Watkins,  C.  L.;  Sayers,  E.  J.;  Allender,  C.;  Barrow,  D.;  Fegan,  C.;  Brennan,  P.;  Jones,  A.  T.,  Co‐operative  Membrane  Disruption  between  Cell‐penetrating  Peptide  and  Cargo:  Implications  for  the  Therapeutic  Use  of  the  Bcl‐2  Converter  Peptide D‐NuBCP‐9‐r8. Mol. Ther. 2011, 19 (12), 2124‐32.  51.  Aubry, S.; Burlina, F.; Dupont, E.; Delaroche, D.; Joliot,  A.; Lavielle, S.; Chassaing, G.; Sagan, S., Cell‐surface Thiols Affect  Cell  Entry  of  Disulfide‐conjugated  Peptides.  FASEB  J.  2009,  23  (9), 2956‐2967. 

 

 

9

ACS Paragon Plus Environment

ACS Sensors 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Page 10 of 10

 

 For TOC only   

 

10

ACS Paragon Plus Environment