2022年6月2日，國家納米科學中心陳春英研究員團隊在《美國國家科學院院刊》（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)新應用多維度多組學（蛋白組學、代謝組學、脂質(zhì)組學）、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”的蛋白組成在細胞轉(zhuǎn)運過程中的動態(tài)演化模式，并發(fā)現(xiàn)該過程擾動細胞蛋白質(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 論文首頁標題

背景介紹

當納米材料進入生命體系時，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細胞和組織中的識別、轉(zhuǎn)運、分布、功能和生物效應，是納米材料生物應用的“黑匣子”問題，不僅決定納米藥物載體的遞送效率，還會制約納米藥物的遞送效率，并嚴重影響其有效性和安全性 [1]。該領(lǐng)域研究的一個重要挑戰(zhàn)是“納米蛋白冠”的復雜性，該復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，存在認知不明、機理不清的問題。

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)到細胞內(nèi)的動態(tài)演化過程（血液-溶酶體-細胞質(zhì)）（圖2），當納米顆粒由血液環(huán)境經(jīng)過細胞內(nèi)吞進入溶酶體，再從溶酶體逃逸進入細胞質(zhì)后，其表面的蛋白組成會發(fā)生巨大變化，被細胞內(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胞轉(zhuǎn)運過程中的演化過程

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，并利用微量熱泳動技術(shù)（MST）驗證了PKM2、HSC70與從溶酶體逃逸出來之后的納米蛋白冠具有極強的親和力，這一吸附規(guī)律激發(fā)了伴侶蛋白介導的自噬反應（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)伴侶蛋白介導的自噬(CMA)活性的升高

進一步，研究人員采用代謝組學發(fā)現(xiàn)“納米蛋白冠誘導的CMA”影響細胞糖酵解，引發(fā)細胞外酸化率（ECAR）顯著增加。結(jié)合脂質(zhì)組學發(fā)現(xiàn)的特定脂質(zhì)，利用iMScope TRIO（Shimadzu Corporation）進行鑒定和可視化分布分析顯示在動物組織水平納米蛋白冠的存在一定程度上擾動腫瘤組織中的脂質(zhì)種類和分布（圖4），擾動的脂質(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重塑細胞能量代謝和脂質(zhì)代謝

結(jié)論

綜上所述，此項工作首次闡明了納米顆粒從血液到亞細胞微環(huán)境轉(zhuǎn)運過程中的演化模式，發(fā)現(xiàn)了“納米蛋白冠”的胞內(nèi)微環(huán)境特異性，進而重塑細胞代謝，為深入理解納米-生物界面調(diào)控納米材料復雜生物學效應提供了新認識和理論支撐。同時借助島津成像質(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)，不僅可實現(xiàn)在分子水平上對純納米粒子和納米蛋白冠的生物毒理學效應進行有效研究，同時也為未來對更多種類的納米搭載生物診療試劑和材料的毒理學和安全性評價提供更為直觀有力的研究手段。

參考文獻：

[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.