國家納米科學中心陳春英ACS Nano：手性表面決定轉鐵蛋白取向及其與受體的相互作用

【引言】

納米顆粒暴露生理環境時，形成“蛋白質電暈”，其極大地決定了它們的生物命運。蛋白質的吸附可能受納米顆粒手性表面的影響；然而，研究可用于蛋白質與納米顆粒的手性表面的相互作用，其潛在的機制仍然尚未解決。本文制定了一種定量分析轉鐵蛋白對用D-青霉胺，L-青霉胺和外消旋青霉胺官能化的金納米顆粒的吸附和構象特征的策略。利用石英微量天平平臺監測吸附的轉鐵蛋白與HEK細胞衍生脂質體中轉鐵蛋白受體的相互作用。結果表明，納米顆粒的手性表面決定了轉鐵蛋白的取向和構象，其隨后影響轉運蛋白與其受體在細胞膜上的相互作用和識別。轉鐵蛋白被廣泛用作癌癥治療和診斷中的腫瘤靶向配體，因為轉鐵蛋白受體在各種類型的癌細胞的細胞膜上過表達。因此，本結果將有助于在生理環境中擴大具有手性表面的納米顆粒的生物學認識的知識，并提供對治療性納米顆粒的合理設計的洞察。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心陳春英（通訊作者）在ACS Nano上發表了一篇題為 “Chiral Surface of Nanoparticles Determines the Orientation of Adsorbed Transferrin and Its Interaction with Receptors”的文章。該研究團隊開發出檸檬酸還原HAuCl₄合成14nm的AuNP，將具有不同尺寸的檸檬酸鹽保護的AuNP（Cit-AuNP）與過量的D-Pen或L-Pen或D-Pen和L-Pen的混合物混合之后離心，得到青霉胺修飾的AuNPs（Pen-AuNP）并利用熒光淬滅測量與Tf的相互作用。利用青霉胺的D，L和外消旋異構體修飾13.6±0.9nm AuNPs的表面。探討了制備的手性表面對Tf吸附的影響。使用了QCM-D，熒光，CD，FT-IR，AFM和DLS技術等技術觀察熱力學，吸附方向和結構特征之間的微妙差異。同時使用石英微量天平平臺來測量吸附在AuNPs的手性表面上的Tf和在HEK293細胞衍生的脂質體中表達的TfR的相互作用。

[注：Tf- Transferrin 轉鐵蛋白；D-Pen為?D-青霉胺??L-Pen 為L-青霉胺? ]

【圖文導讀】

圖1?手性分子對AuNP表面的修飾及其與Tf的相互作用的示意圖

手性分子對AuNP表面的修飾及其與Tf的相互作用的示意圖。

圖2 Pen-AuNPs上Tf電暈形成的定量分析

（a）AuNP（D）-Tf（a）的流體動力學半徑測量值作為濃度的函數的Tf；

（b）AuNP（L）-Tf（b）的流體動力學半徑測量值作為濃度的函數的Tf；

（c）AuNP（D/L）-Tf（c）的流體動力學半徑測量值作為濃度的函數的Tf；

（d）在Tf的六個側面上具有電荷和結合-TfR相關殘基的氨基酸的分布。使用具有彩色編碼類型的電荷（紅色，負電荷;藍色，正電荷;灰色，無電荷）的Tf（PDB ID：4X1B）的空間填充模型描述了Tf的3D結構。黃色標記的殘基代表Tf的C波和N波的結合TfR相關殘基；

（e）Tf虛擬立方體每側的帶電氨基酸的統計分布；

（f）由QCM-D監測的吸附在Pen-AuNP和SLB上的Tf（POPC:POEPC，8:2）之間的相互作用示意圖；

（g）孵育3小時后，將具有1μm掃描尺寸的Tf吸附的Pen-AuNP（150μg/mL）吸附到POPC/POEPC雙層上的AFM成像；

（h）將Tf吸附的Pen-AuNP吸附到SLB上的QCM-D結果。

圖3 Pen-AuNPs相互作用前后Tf二級結構的CD和FTIR分析

（a）與Pen-AuNPs相互作用前后Tf的二級結構的CD光譜；

（b）在蛋白質二級結構研究中選擇的原始譜（2000-1300com^-1）作為研究的區域；

（c-g）吸附在（b）的AuNPs的手性表面上的Tf的酰胺I光譜的曲線擬合倒置SD和曲線擬合的倒置FSD，曲線擬合使用OMNIC軟件進行。

圖4?納米手性表面對Tf-TfR相互作用的影響

（a）實驗設計原理總體框架圖；

（b）COOH包被的芯片被EDC/NHS激活后，將芯片依次暴露于Pen-AuNP（步驟1）;

（c）（b）（a）中QCM-D測量的頻率變化（ΔF）的示意圖；

（d）步驟3的頻率變化直方圖，即吸附到Pen-AuNP上的Tf和在細胞來源的脂質體上表達的TfR之間的相互作用。

【小結】

該研究團隊通過手性表面的NPs對Tf和TfR之間的相互作用的影響可以與Tf在手性納米界面的吸附行為相關。Tf在14nm NPs的不同手性表面上的吸附不會發生自發和放熱過程。吸附在AuNPs不同手性表面上的Tf的差異體現在吸附取向和構象變化中。同時，Tf在與AuNPs的不同手性表面相互作用后，二次結構發生不同程度的變化。此外，研究表明：NPs的表面曲率對手性納米界面的蛋白質的吸附取向和層厚度有顯著的影響。加深對生理環境中具有手性表面NPs的生物學特征的理解。

文獻鏈接：Chiral Surface of Nanoparticles Determines the Orientation of Adsorbed Transferrin and Its Interaction with Receptors（ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00200）

通訊作者簡介：

陳春英，國家納米科學中心研究員、博士生導師。1996年獲得華中理工大學生物醫學工程專業醫學博士學位。1996年11月至2006年5月，中國科學院高能物理研究所博士后并留所工作；2001年9月-2002年9月，瑞典卡羅林斯卡大學諾貝爾醫學生物化學研究所博士后。2006年6月加入國家納米科學中心。先后主持科技部973項目、國家儀器專項、國家自然科學基金、歐盟第六、第七框架計劃(EU-FP6&FP7)、國際原子能機構協調研究計劃(IAEA)等多項國內與國際合作項目。中國毒理學會及國際純粹與應用化學聯合會員，擔任Metallomics、Nanotoxicology、Particle and Fibre Toxicology和Current Drug Metabolism編委。相關研究成果已在Nat Methods, Nat Commun, Chem Soc Rev, Acc Chem Res, PNAS, Nano Lett, Adv Mater, ACS Nano, Small, Biomaterials等國際著名刊物發表學術論文150余篇。中國授權專利14項，國際授權專利1項。2008年獲“北京市科學技術二等獎(第二獲獎人)”，2011年獲“中國標準化杰出人物—創新人物”獎，2012年獲“國家自然科學二等獎(第二獲獎人)”，2014年獲“國家杰出青年科學基金”資助以及“中國青年女科學家獎”，并入選“國家百千萬人才工程”、Thomson Reuters公布的“2014年全球高引用科學家”以及“中科院百人計劃”。目前主要研究方向：（1）高效低毒抗腫瘤納米藥物的研制及其作用機制的研究；（2）典型納米材料與生物體相互作用的規律及其影響因素；（3）核分析與同步輻射技術及組學技術用于生物體系納米顆粒暴露和效應標志物的研究；（4）易感人群環境污染物長期暴露的分子毒理學研究。

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