PNAS 经典回顾 | 纳米颗粒「分子互作」研究思路

纳米颗粒可以作为药物递送的载体，当纳米颗粒进入生物体，其表面会迅速吸附蛋白分子形成“纳米蛋白冠”，蛋白冠的存在会对纳米颗粒在体内的运输、代谢产生影响，同时可能会影响纳米药物在体内的递送效率，进而影响药物的安全性和有效性。

对于用作纳米药物或纳米载体的纳米材料，更好地了解其细胞内蛋白冠的生物学和毒理学特征对于指导纳米药物的安全设计、临床转化，确保其生物学益处并尽量减少其潜在危害至关重要，是纳米生物科学与工程持续发展的先决条件。

然而，即使经过十多年的研究，纳米材料在细胞内如何释放或交换血液蛋白冠的动态仍有待探索。国家纳米科学中心陈春英院士团队，于2022年在美国国家科学院院刊PNAS发表题为Dynamic intracellular exchange of nanomaterials’ protein corona perturbs proteostasis and remodels cell metabolism 的文章，首次揭示了“纳米蛋白冠”的蛋白组成成分及细胞中纳米蛋白冠的动态演化过程，填补了这一空白。

在本研究中，陈院士团队深入研究了纳米颗粒与其生物微环境的复杂相互作用关系，系统总结了纳米蛋白冠的化学和生物生理学特征，归纳了用于确定蛋白冠的丰度、组成和转化的最新分析技术手段：包括蛋白组学、代谢组学、脂质组学，分子间互作技术，以及原位质谱成像等分析技术。其中研究所涉及的亲和力检测都使用了MST （微量热泳动）技术。

在本研究中，陈院士团队以无机金纳米颗粒GNP为纳米颗粒的模型，筛选了癌细胞中细胞内蛋白冠沿着血液经溶酶体到细胞质的内吞途径的演化。下图图A，展示了该演化过程中GNP表面蛋白冠成分的变化。

当金纳米颗粒GNP进入血液，与血液中的蛋白质发生相互作用，形成纳米蛋白冠；纳米金经细胞内吞进入溶酶体，后又从溶酶体逃逸进入细胞质的过程中，GNP会分离部分血液中获得的蛋白质，并与细胞蛋白质结合，因为它们对纳米粒子表面具有更高的亲和力。经一系列的演化，GNP蛋白冠表面的蛋白组成会巨大改变，大部分被细胞内的蛋白质分子所替代，仅仅保留小部分在血液环境中形成的蛋白冠成分。

陈院士团队在此研究中的亲和力检测，均来自NanoTemper专利的MST技术。

下图分别代表纳米蛋白冠的三个演化阶段中，GNP与不同蛋白质的结合亲和力：GNPB（血液-金纳米颗粒）、GNPBL（血液-溶酶体-金纳米颗粒）和GNPBLC（血液-溶酶体-细胞质-金纳米颗粒）。

纳米蛋白冠的胞内演化会扰乱细胞内的蛋白稳态（Proteostasis），引发HSC70（heat shock cognate protein 70）和HSP90（heat shock protein 90）等伴侣蛋白，和丙酮酸激酶M2，PKM2（cytosolic pyruvate kinase isoform M2），在胞内纳米蛋白冠表面富集，也会激发伴侣蛋白介导的自噬反应（Chaperone mediated autophagy，CMA）；进而影响细胞的糖酵解，引起细胞能量代谢的改变，进而调控细胞脂质代谢。

此项研究首次揭示了蛋白质稳态破坏导致的细胞内蛋白冠成分交换对CMA激活的影响。蛋白冠诱导的 CMA 可以影响纳米粒子的细胞清除并改变细胞代谢，这也可能会影响纳米药物的递送效率和生物效应。本研究突出了纳米-生物界面的复杂性，为纳米生物效应与纳米医学研究提供了关键、前沿的分析手段，对如何利用纳米蛋白冠的化学特性指导安全有效的纳米药物设计进行了展望，推动了纳米生物医学的发展。

在此项研究中，MST技术为纳米颗粒 - 蛋白质之间的亲和力检测提供了可靠的数据。Monolith系列分子互作仪搭载MST技术模块，不依赖于分子量的变化，结合引起的电荷、水化层的改变都会被灵敏检测到。因此无论是完整的纳米颗粒还是分子伴侣蛋白或酶，MST技术都可以轻松检测。

参考文献：

1. Mitchell, M.J., Billingsley, M.M., Haley, R.M. et al. Engineering precision nanoparticles for drug delivery. Nat Rev Drug Discov (2020).