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《自然·通訊》報道馬余強教授課題組在納米材料表面蛋白冠調控方面的

2019-10-11

    最近,南京大學物理學院馬余強教授課題組在納米材料表面蛋白冠的調控及生物學效應等方面取得重要進展,最新研究成果以“Tailoring the component of protein corona via simple chemistry”為題發表在Nature Communications 10, 4520 (2019)上。該工作與蘇州大學丁泓銘副教授、南京醫科大學霍達教授等合作,通過結合理論模擬與實驗,提出了一種可以有效操控納米材料表面蛋白冠成分的簡單方法,并從分子、細胞和組織層次揭示了納米材料表面修飾對其在生物體內代謝影響的內在機理。南京大學是論文的第一單位;南京大學2015級直博士盧翔和南京大學鼓樓醫院許佩佩博士是論文的并列第一作者,馬余強教授、蘇州大學丁泓銘副教授和南京醫科大學霍達教授是論文的共同通訊作者。

    當納米材料進入生物環境中(例如血液),由于其大的比表面積和高的吸附活性,表面會吸附大量的血漿蛋白,形成蛋白冠(protein corona)。這層蛋白質冠的形成不僅會影響蛋白質分子本身的結構和生物功能,同時也會改變納米材料的生物學行為。因此,如何理解納米材料與血漿蛋白的作用,特別是精確調控納米材料表面蛋白冠的組成,對在生物醫學領域更好地利用納米材料乃至未來個性化的醫學治療至關重要。

    在這項工作中,作者首先通過全原子分子動力學模擬研究了三種典型血漿蛋白(HSA,IgE, ApoE)與不同表面修飾的石墨烯作用機理。研究發現,隨著石墨烯表面羥基數目的增加,HSA與IgE的吸附面積逐漸下降(圖1a-b);而ApoE的吸附面積卻與石墨烯表面羥基數目無明顯關聯(圖1c)。通過進一步分析蛋白質吸附到石墨烯上的構象,他們發現二級結構的變化是影響蛋白質吸附面積的關鍵因素——對于具有疏水內核結構的HSA和以beta片為主的IgE而言,隨著納米材料親水度的增加,二級結構破壞逐漸減弱,從而吸附面積逐漸降低;而對于以alpha結構為主和親疏水相間的ApoE而言,親水和疏水表面對其二級結構的破壞無明顯差別,從而其吸附面積沒有太大區別(圖1d)。以上結果也得到了蛋白質體外吸附實驗的證實(圖1e),即通過調控納米材料表面親疏水性可以有效地調控納米材料的蛋白冠成分。此外,他們還以金納米材料為例,進一步證明了這一結果的普適性(圖2)。

圖1. 不同表面修飾石墨烯與三種血漿蛋白相互作用的全原子模擬和體外實驗結果。
圖2. 不同表面修飾金納米粒子與三種血漿蛋白相互作用的全原子模擬和體外實驗結果。
通常HSA和IgE(特別是IgE)的吸附會提高納米材料被免疫系統清除的概率,而ApoE的吸附則會降低納米材料被免疫系統識別的可能性。目前工作的重要性還在于他們通過簡單地調控納米材料表面的親疏水度,可以顯著地降低HSA和IgE在納米材料表面的吸附行為,而同時對ApoE的吸附不會造成太大影響,從而能夠極大地提高納米材料在血液中的循環時間和達到腫瘤組織的數量。相關的體內實驗完全驗證了這一想法(圖3);此外作者還發現通過預吸附ApoE在納米材料表面,能夠進一步提高納米材料在腫瘤組織的富集量。
圖3. 不同表面修飾納米材料的體內分布和代謝行為。
該工作得到固體微結構物理國家重點實驗室和人工微結構科學與技術協同創新中心,以及國家自然科學基金等項目的資助,在此表示感謝!

來源:南京大學 新聞網

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