应用高通量表面等离子共振技术系统研究纳米粒子与生物分子相互作用

The molecular mechanism of the interaction between nanomaterials and biological systems is crucial for the safety assessment and biomedical applications of nanomaterials. Therefore, the study of the interaction between nanomaterials and proteins has become a hot topic. Yet, systematic study is still rare, and no general principle has been revealed; some studies even show contradictory results. Therefore, there is an urgent demand of systematic study on the interaction between nanoparticles and a large number of proteins under various conditions by high-throughput methods, to reveal the principles underneath. In this project, using high-throughput surface plasmon resonance (SPR) technology, we will study the binding affinity and kinetics of nanoparticles (with different physicochemical parameters and surface functional groups) with a variety of proteins (plasma proteins, surface receptor proteins from phagocytic cells and surface specific receptor proteins from tumor cells) under various conditions, and correlate these results with the corresponding cell uptake, to elucidate the effect of physicochemical parameters and surface functional groups on the interaction between nanoparticles and proteins, and to reveal the mechanism of the protein corona formation and cellular uptake of nanoparticles. In the meantime, with the aid of the high-through method, we will explore the interaction between nanomaterials and non-protein biomolecules to find new bioeffects and new phenomena.

阐明纳米材料与生物系统相互作用的分子机制对纳米材料的生物安全性评价及生物医学应用至关重要。因此，纳米粒子与蛋白质相互作用成为当前国际上的热门研究领域。然而目前大多数工作缺乏系统性，一些结果甚至相互矛盾，无法得到普遍性规律。因此亟需通过高通量的研究方法，系统地研究不同纳米粒子与大量蛋白质在多种不同条件下的相互作用规律。本项目拟采用基于表面等离子共振(SPR)的高通量技术，系统研究具有不同理化参数和功能基团的多种纳米粒子与多种蛋白质(血浆蛋白，吞噬细胞及肿瘤细胞的表面特异受体蛋白)在多种条件下的结合热力学和动力学规律，并与细胞摄取等生物效应相关联，系统阐明纳米粒子的理化参数和功能基团对其与蛋白质相互作用、纳米粒子蛋白冠的形成的影响规律，及纳米粒子的细胞摄入等生物效应的分子机制。同时，借助建立的高通量方法，开展纳米粒子与非蛋白类生物分子相互作用的前瞻性探索研究，以期发现新的生物效应分子或新现象。

纳米材料的生物医学应用和安全性评估都亟需我们了解纳米材料与生物体系的作用机制，其核心问题就是纳米粒子与生物分子的相互作用机制，而这直接决定纳米材料的生物效应。为了揭示纳米粒子与生物分子的相互作用规律，我们运用基于表面等离子共振（SPR）的高通量技术结合多种谱学和生物学研究手段，系统研究了多种纳米粒子与血浆蛋白、肿瘤细胞受体以及生物小分子相互作用的热力学和动力学机制及相关影响因素；揭示了纳米粒子本身的理化性质（粒径、表面电荷、表面配体等）改变纳米粒子与蛋白质作用、继而影响细胞摄入的机制和规律，并揭示了这一机制在与不同生物介质相互作用时的差异。特别的是，我们发展了一种通过控制纳米粒子表面结合多肽的构象来调控其与细胞表面受体作用的新方法，发现了多种生物小分子（如脂肪酸）和离子（如钙离子）可以显著影响纳米粒子与蛋白质相互作用进而改变纳米粒子的细胞效应，还首次发现了不同粒径纳米粒子之间在细胞摄入时存在竞争机制这一新现象。本课题完成了预定研究内容，已经发表SCI论文17篇，获得专利授权4项。课题完成期间3名学生获得博士学位，7名学生获得硕士学位。此外，课题负责人以第五完成人获得了2018年度国家自然科学二等奖。