2021年2月18日,Nature Nanotechnology期刊发表了中科院国家纳米科学中心陈春英研究员课题组在体内纳米蛋白冠生物效应研究领域的最新研究成果Molybdenum derived from nanomaterials incorporates into molybdenum enzymes and affects their activities in vivo ,首次报道了含有必需微量元素钼的二硫化钼纳米材料由纳米蛋白冠介导的独特的体内转运、代谢和生物利用过程。


纳米药物新发现!中科院首次报道了一种可在体内完美代谢的纳米材料


针对研究挑战,本研究提出集纳米蛋白冠的原位表征和代谢分析方法、蛋白质组学、分子模拟计算在内三位一体的研究策略。基于同步辐射大科学装置与高分辨活体荧光成像,发展了跨尺度的集光学成像与原位化学测量方法,通过集成多种同步辐射先进分析技术(同步辐射微束X射线荧光、X射线近边吸收结构谱学、软X射线透射成像nanoCT等),建立纳米材料在靶组织、靶细胞内的分布及其化学形态的高灵敏、高分辨原位表征方法,实现单细胞水平上观察纳米材料的空间定位,精确判断体内纳米材料的降解、代谢及生物化学转化行为。进一步综合运用先进光源的原位表征技术、“纳米蛋白冠”的相互作用规律研究、高性能理论计算的分子机制解析,并行实时交互多方数据链条,编织构造能够揭示纳米材料在生命体内的代谢全过程与化学形态的信息网。


具体以二维过渡金属硫化物(二硫化钼MoS2)作为研究对象,利用上述新方法对MoS2纳米材料的体内转运-转化-生物利用过程进行系统全过程的研究。首先,研究了MoS2纳米材料与血液的相互作用;定量研究了MoS2纳米材料的血液动力学和在血液各组分中的分布,并利用软X射线透射成像nanoCT观察了其在不同血液细胞中的空间分布;运用蛋白组学和分子动力学模拟研究MoS2纳米材料与血液蛋白的相互作用分子机制。接着利用同步辐射微束X射线荧光和X射线近边吸收结构谱学研究了MoS2纳米材料在肝脏、脾脏的分布和生物化学转化,并发现了MoS2纳米材料降解后可影响肝中钼酶活性和肝脏代谢功能的效应。通过研究纳米材料与重要生物系统(纳米-蛋白质,纳米-血液,纳米-肝脏和纳米-脾脏)的相互作用,揭示了材料表面的“纳米蛋白冠”组分载脂蛋白E(ApoE)主要介导了MoS2在肝脏Kupffer细胞和脾脏红髓巨噬细胞中的富集;其次,MoS2纳米材料在肝脏和脾脏中发生生物转化,降解生成钼酸根离子,进而在肝脏中进入钼酶中钼辅因子的生物合成,增加两种主要的钼黄素酶(醛氧化酶和黄嘌呤氧化还原酶)的活性,影响肝脏的代谢功能。


此项研究首次系统阐明了纳米蛋白冠介导“纳米材料体内转运-生物转化-生物利用”这一“体内命运的全过程”,这对于深入理解纳米-生物界面调控纳米材料体内复杂的化学生物学效应和机制提供了新认识;首次证实了含必需微量元素的纳米材料可在体内被生物利用的过程与机制。


纳米药物新发现!中科院首次报道了一种可在体内完美代谢的纳米材料


图. 纳米蛋白冠介导的纳米材料“体内转运-生物转化-生物利用全过程”


钼酶催化产生的一氧化氮是肿瘤发生发展的一个非常重要的因素,且其中的黄嘌呤氧化还原酶可代谢多种抗癌药物。随着MoS2等二维过渡金属硫化物研究的进展,在生物医学领域,如药物递送、肿瘤诊疗、生物成像和生物传感应用中显示出优越的性能。因此,MoS2等纳米材料的体内应用需要特别关注其在体内的生物利用度及其对药效的潜在影响,这是纳米材料生物医学应用的新发现和新思考。


近年来,陈春英课题组基于同步辐射大科学装置,建立与发展了针对复杂生物体系纳米材料的系统分析方法。这些方法具有高灵敏、高分辨、元素特异、原位分析等优点,被应用于定量解析纳米-生物界面大分子(蛋白质、磷脂)相互作用,定性表征纳米材料在生物体内的化学行为 (Nature Nanotechnol, 2019, 14: 639; Acc Chem Res, 2019, 52: 1507; JACS, 2021, 143: 1846; JACS, 2013, 135: 17359等)。这些先进方法,将为纳米生物效应与纳米医学研究提供关键、前沿的分析手段,大力地推动了纳米生物医学的发展。


国家纳米科学中心博士毕业生曹明晶、副研究员蔡绒、博士毕业生郭梦雨和高能物理研究所研究员赵丽娜为该文章的共同第一作者,陈春英研究员为通讯作者。


研究背景


纳米材料/纳米药物一旦进入生命体系,将面对复杂多变的多重生物屏障和生理结构,纳米材料/纳米药物与不同组织器官、细胞、生物流体微环境等复杂纳米-生物界面的互作方式是决定纳米材料/药物被递送到目标部位的核心步骤。其中,纳米材料与血液蛋白质作用形成蛋白冠是诱导纳米生物效应及实现医学应用的首要步骤。


然而,纳米材料如何通过与蛋白冠表界面作用,并调控其在体内的命运及其生物效应,仍然缺乏规律性的认识,原因是目前研究缺乏跨尺度、高灵敏与高分辨的分析手段,难以原位、动态地研究纳米-蛋白冠复合物与生物体作用过程及其代谢行为,从而成为纳米-蛋白冠生物效应研究的关键瓶颈问题。


文章来源: BioArt

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