拥挤的细胞内环境影响扩散介导的细胞过程，例如代谢、信号传导以及运输等。在非均相的细胞浆内，针对大分子扩散阻滞的现象已有研究，但是有关扩散分布的细节及其起源尚不清楚。中科院物理所Peng-Ye Wang课题组基于量子点（Quantum Dots, QDs）的单颗粒示踪（Single-particle tracking, SPT）技术，描绘了单个细胞内的扩散图谱，揭示了细胞内环境的不均一性，并发现量子点在细胞浆内的区域化扩散，而该区域化的形成则来自内质网（Endoplasmic Reticulum, ER）微管网络所界定的微米级区划。
Hui Li等利用胞饮囊泡的渗透裂解方法，将量子点导入A549细胞，量子点在细胞浆内各自分散，没有包封于内吞通路或囊泡中（图1）；然后以单颗粒示踪技术检测量子点的扩散系数，发现该系数与内质网密度呈显著负相关，扩散系数的峰点与内质网密度的低点相一致（图2）；造成量子点区域化扩散的原因是内质网微管网络的阻碍，若以药物破坏内质网结构，量子点扩散范围增加；因此，内质网结构使细胞内扩散更加一致、有序。总之，该研究证实了量子点在细胞浆的区域化扩散，是关于细胞内大分子扩散运动的新发现，对于细胞内扩散分布的描绘，可用于基于纳米颗粒的药物递送与治疗的策略研发。
图1 将量子点递送入A549细胞，并示踪单个量子点以检测扩散系数。
（a）A549细胞的明场（左图）及荧光（右图）图像。通过胞饮过程，链霉亲和素（Streptavidin, SA）耦联的量子点QD655递送入细胞浆，细胞形态保持正常，量子点在细胞浆弥散分布。黄线勾画出细胞轮廓。（b）SA-QD655（红色）与SA-QD525（绿色）共同递送入A549细胞。（c）单量子点相对时间的位置。时间分辨率为30ms，箭头指示静止时段，其中小图为对应的量子点成像，白线显示量子点的运行轨迹。（d）与c图中量子点轨迹对应的扩散系数D、指数a以及对应不同时间的强度，箭头指示静止时段。（e）在23个A549细胞中全部SA-QD655的平均MSD，其中小图为随机选取的100个样品的MSD曲线。（f）量子点固定于玻璃上，或于Ficoll 70（30wt%）或细胞中扩散，描绘量子点的时间指数a的分布。
图2 内质网（ER）使细胞内量子点呈现区域化扩散。
（a）在A549细胞的第一层面，绿色荧光蛋白（GFP）标记的内质网与量子点（红色）的合图。（b）内质网荧光成像和扩散图转换为灰阶图像以进行定量比较。（c）b图中划线区域的内质网荧光强度与扩散系数Dp呈负相关。（d）内质网荧光强度及扩散系数的相关系数。（e）a图方框区域内量子点轨迹（红色）与GFP-ER（绿色）叠加的系列图像。（f）由e图轨迹描绘的扩散图谱。（g）GFP-ER（绿色）与量子点（红色）在第二层面的合图。黄色线条显示细胞边界，核区域以N标注。
文献来源：
Li H, Dou SX, Liu YR, Li W, Xie P, Wang WC, Wang PY. Mapping intracellular diffusion distribution using single quantum dot tracking: compartmentalized diffusion defined by endoplasmic reticulum. J Am Chem Soc. 2015;137(1):436-44.
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