2022年6月2日，國家納米科學(xué)中心陳春英研究員團(tuán)隊(duì)在《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2022, 119(23), e2200363119）在線發(fā)表了題為"Dynamic intracellular exchange of nanomaterials’ protein corona perturbs proteostasis and remodels cell metabolism"的研究論文(圖1)，通過創(chuàng)新應(yīng)用多維度多組學(xué)（蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)）、分子間互作以及原位質(zhì)譜成像等分析技術(shù)，首次揭示了“納米蛋白冠”的蛋白組成在細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的動(dòng)態(tài)演化模式，并發(fā)現(xiàn)該過程擾動(dòng)細(xì)胞蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)、能量代謝和脂質(zhì)代謝過程。該研究工作得到了島津中國創(chuàng)新中心(Shimadzu China Innovation Center)的技術(shù)支持。

圖1 論文首頁標(biāo)題

背景介紹

當(dāng)納米材料進(jìn)入生命體系時(shí)，生物流體的生物分子迅速與納米材料表面結(jié)合，形成生物分子冠，其中納米-血液蛋白分子互作形成的“納米蛋白冠”，自2006年始引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注。前期工作發(fā)現(xiàn)納米蛋白冠的形成決定納米材料在多層級(jí)細(xì)胞和組織中的識(shí)別、轉(zhuǎn)運(yùn)、分布、功能和生物效應(yīng)，是納米材料生物應(yīng)用的“黑匣子”問題，不僅決定納米藥物載體的遞送效率，還會(huì)制約納米藥物的遞送效率，并嚴(yán)重影響其有效性和安全性 [1]。該領(lǐng)域研究的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是“納米蛋白冠”的復(fù)雜性，該復(fù)雜性受不同組織器官中生物分子的多樣性以及生理病理狀態(tài)的影響。然而目前對(duì)蛋白冠的蛋白組成和結(jié)構(gòu)特性如何隨納米顆粒所處的生物微環(huán)境不同而發(fā)生變化，存在認(rèn)知不明、機(jī)理不清的問題。

解決方案

為了解決這一問題，研究人員以納米金顆粒為模式納米顆粒，研究了蛋白冠從血液系統(tǒng)到細(xì)胞內(nèi)的動(dòng)態(tài)演化過程（血液-溶酶體-細(xì)胞質(zhì)）（圖2），當(dāng)納米顆粒由血液環(huán)境經(jīng)過細(xì)胞內(nèi)吞進(jìn)入溶酶體，再從溶酶體逃逸進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)后，其表面的蛋白組成會(huì)發(fā)生巨大變化，被細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)分子（PKM2、HSPs、GAPDH、ASSY等）所替代，只保留部分血液環(huán)境中形成的蛋白冠成分（FIBs、APOs、HBs、C3、S100s等）(圖2)。

圖2. 納米蛋白冠組成在細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的演化過程

隨后發(fā)現(xiàn)，納米蛋白冠的胞內(nèi)演化擾亂細(xì)胞內(nèi)的蛋白穩(wěn)態(tài)（proteostasis），引發(fā)伴侶蛋白(HSC70, HSP90等)和丙酮酸激酶M2（PKM2）在胞內(nèi)納米蛋白冠表面的富集，并利用微量熱泳動(dòng)技術(shù)（MST）驗(yàn)證了PKM2、HSC70與從溶酶體逃逸出來之后的納米蛋白冠具有極強(qiáng)的親和力，這一吸附規(guī)律激發(fā)了伴侶蛋白介導(dǎo)的自噬反應(yīng)（Chaperone mediated autophagy, CMA），即“納米蛋白冠引發(fā)的CMA”（Protein corona induced CMA）（圖3）。

圖3. 納米蛋白冠的組分與胞內(nèi)蛋白(伴侶蛋白、代謝激酶)的交換引發(fā)伴侶蛋白介導(dǎo)的自噬(CMA)活性的升高

進(jìn)一步，研究人員采用代謝組學(xué)發(fā)現(xiàn)“納米蛋白冠誘導(dǎo)的CMA”影響細(xì)胞糖酵解，引發(fā)細(xì)胞外酸化率（ECAR）顯著增加。結(jié)合脂質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)的特定脂質(zhì)，利用iMScope TRIO（Shimadzu Corporation）進(jìn)行鑒定和可視化分布分析顯示在動(dòng)物組織水平納米蛋白冠的存在一定程度上擾動(dòng)腫瘤組織中的脂質(zhì)種類和分布（圖4），擾動(dòng)的脂質(zhì)主要富集在膽堿代謝、甘油磷脂和鞘脂代謝途徑。

圖4. 納米蛋白冠引發(fā)的CMA重塑細(xì)胞能量代謝和脂質(zhì)代謝

結(jié)論

綜上所述，此項(xiàng)工作首次闡明了納米顆粒從血液到亞細(xì)胞微環(huán)境轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的演化模式，發(fā)現(xiàn)了“納米蛋白冠”的胞內(nèi)微環(huán)境特異性，進(jìn)而重塑細(xì)胞代謝，為深入理解納米-生物界面調(diào)控納米材料復(fù)雜生物學(xué)效應(yīng)提供了新認(rèn)識(shí)和理論支撐。同時(shí)借助島津成像質(zhì)譜顯微鏡iMScope，可在腫瘤組織內(nèi)部原位清晰展現(xiàn)出包括磷脂酰膽堿(PC)、磷脂酰乙醇胺 (PE)、磷脂酰肌醇(PI)類脂質(zhì)等多種成分均發(fā)生了明顯變化。通過空間可視化成像技術(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)在分子水平上對(duì)純納米粒子和納米蛋白冠的生物毒理學(xué)效應(yīng)進(jìn)行有效研究，同時(shí)也為未來對(duì)更多種類的納米搭載生物診療試劑和材料的毒理學(xué)和安全性評(píng)價(jià)提供更為直觀有力的研究手段。

參考文獻(xiàn)：

[1] Cao M. et al. Molybdenum Derived from Nanomaterials Incorporates into Molybdenum Enzymes and Affects Their Activities in vivo. Nature Nanotechnology, 2021, 16: 708-716.