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國家納米中心在納米蛋白冠介導的納米材料體內轉運和生物利用等研究中獲進展

2021-02-22 國家納米科學中心
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  218日,國家納米科學中心研究員陳春英課題組在Nature Nanotechnology(《自然-納米技術》)上,在線發表了題為Molybdenum derived from nanomaterials incorporates into molybdenum enzymes and affects their activities in vivo的研究成果。該研究是體內納米蛋白冠生物效應研究領域的最新成果,首次報道了含有必需微量元素鉬的二硫化鉬納米材料由納米蛋白冠介導的獨特的體內轉運、代謝和生物利用過程。 

  納米材料/納米藥物一旦進入生命體系,將面對復雜的多重生物屏障和生理結構,納米材料/納米藥物與不同的組織器官、細胞、生物流體微環境等復雜納米-生物界面的互作方式是決定其被遞送到目標部位的核心步驟。納米-血液蛋白分子互作形成的“納米蛋白冠”作為起始步驟,如何揭示納米蛋白冠對納米顆粒體內命運的影響是長期面臨的挑戰,其中,缺乏跨尺度、高靈敏、原位表征的技術手段是制約其發展的關鍵問題。 

  針對上述問題,該研究提出了集納米蛋白冠的原位表征和代謝分析方法、蛋白質組學、分子模擬計算在內三位一體的研究策略。研究人員基于同步輻射大科學裝置與高分辨活體熒光成像,發展出跨尺度的原位化學測量方法,通過集成多種同步輻射先進分析技術(同步輻射微束X射線熒光、X射線近邊吸收結構譜學、軟X射線透射成像nanoCT等),建立了納米材料在生命體內的代謝過程與化學形態的高靈敏、高分辨原位表征方法,實現了單細胞水平的納米材料的空間定位,闡明了體內納米材料的氧化還原、降解、代謝及生物化學轉化行為。該研究綜合運用先進光源的原位表征技術、納米蛋白冠的互作規律研究、高性能理論計算的分子機制解析,并行實時交互多方數據鏈條,編織構造能夠揭示納米材料在生命體內的代謝全過程與化學形態的信息網。 

  以二硫化鉬MoS2為研究對象,研究人員通過上述建立的分析方法,研究了納米-蛋白質、納米-血液、納米-肝臟和納米-脾臟等相互作用過程,揭示了材料表面的納米蛋白冠組分載脂蛋白EApoE)主要介導MoS2在肝臟Kupffer細胞和脾臟紅髓巨噬細胞中的富集;MoS2納米材料在肝臟和脾臟中發生化學與生物轉化,降解生成鉬酸根離子,進而在肝臟進入鉬酶中鉬輔因子的生物合成,增加兩種主要的鉬黃素酶(醛氧化酶和黃嘌呤氧化還原酶)的活性。該研究首次系統地闡明了納米蛋白冠介導的納米材料體內轉運-生物轉化-生物利用這一體內命運的全過程,這為深入理解納米-生物界面調控納米材料體內復雜的化學生物學效應和機制提供了新認識;首次證實了含必需微量元素的納米材料在體內可被生物利用的過程與機制。 

  隨著學界在MoS2等二維過渡金屬硫化物研究方面的進展逐漸深入,其在生物醫學領域(如藥物遞送、腫瘤診療、生物成像和生物傳感應用)顯示出優越的性能。因此,這些納米材料的體內應用需特別關注其在體內的生物利用度及其對藥效的影響,這是納米材料生物醫學應用的新發現和新思考。 

  近年來,陳春英課題組基于同步輻射等大科學裝置,建立與發展了針對復雜生物體系納米材料的分析方法,這些方法具有高靈敏、高分辨、元素特異、原位等優點,被應用于定量解析納米-生物界面大分子(蛋白質、磷脂)相互作用、定性表征納米材料在生物體內的化學行為(Nature Nanotechnol, 2019, 14: 639; Acc Chem Res, 2019, 52: 1507; JACS, 2021, 143: 1846; JACS, 2013, 135: 17359等)。這些先進方法為納米生物效應與納米醫學研究提供了關鍵和前沿的分析手段,有利于推動納米生物醫學的發展。  

  國家納米中心博士畢業生曹明晶、副研究員蔡絨、博士畢業生郭夢雨和中科院高能物理研究所研究員趙麗娜為論文的共同第一作者,陳春英為論文通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項(B類)和上海、北京和合肥光源等的支持。 

  論文鏈接 

納米蛋白冠介導的納米材料“體內轉運-生物轉化-生物利用全過程” 

  
打印 責任編輯:張芳丹

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