基于蛋白药物的仿生矿化及其细胞内作用机制研究

Biomimetic mineralization is a new tool for drug modification and it is becoming a new research field in biomineralization society. Our previous studies have demonstrated that the nanomodifications of cisplatin, epirubicin and small RNA can be achieved readily by using in situ solution mineralization. It is of importance that the mineralized drug particles can be more efficient in cell internalization, which can further avoid drug resistances. However, the intracellular action mechanism of these biomineralized drugs is still not clear. In this proposed study, we will select protein drugs as the model systems to achieve the intracellular delivery by using mineralization strategy. We will investigate their specific neutralization effects on viral proteins（targets）within intact cells, which will be developed to understand the intracellular mechanism in details. The constant composition method will be applied to prepare protein drug-calcium phosphate complex in physiological environment. The interaction of protein and mineral phase in the complex will be characterized. In the study, we will focus on the metabolic process of the biomineralized protein drugs within cells. This process may produce a series of complex forms under intracellular conditions, which are important to recognize and interact with viral proteins for the mechanism study. By using these different metabolic forms, we can evaluate two key issues about the safety and effectiveness of biomineralized drugs. We expect that this project may significantly expand the development of biomimetic mineralization and its applications.

药物的仿生矿化是生物矿化研究的一个新的发展方向。我们此前的研究表明顺铂、表阿霉素和小分子RNA均可以通过溶液原位矿化实现纳米化。矿化药物能够更为高效地进入细胞并规避细胞的耐药性，但其在细胞内的作用机制并不清楚。本申请课题选择蛋白类药物作为模型体系，通过矿化将其输送到细胞内并研究它们和特异性病毒蛋白(靶点)在细胞内中和过程，从而揭示矿化药物的细胞内作用机制。我们将利用恒组分法在生理环境下制备蛋白药物—磷酸钙的矿化复合体、表征复合体中蛋白—矿物相的相互位点、研究复合体进入细胞途径和代谢过程、通过细胞内环境调控获得矿化体的不同代谢形式，观测它们在细胞内和病毒蛋白间的识别作用及所产生的功能。该项目可望解答矿化药物的安全性和有效性这两大关键科学问题，拓展仿生矿化研究的发展和应用。

我们对照计划开展多层次仿生矿化研究，在蛋白质、病毒及细胞三个层次上揭示了矿化对手生物体系的调控作用并将其发展为生物矿化研究的一个新方向，顺利完成项目研究任务。研究表明通过生物矿化材料（主要是磷酸钙体系）可以构建生物亲和性好的药物递送平台，利用生物矿化材料与生物分子间的良好相互作用可以让包括蛋白质在内的药物更高效进入细胞，进一步探索了它们在细胞内的作用机制，通过药物、蛋白分子乃至病毒矿化输送及其在细胞内特异性靶点阐释了矿化是一种重要的化学生物学调控手段。揭示了矿化态药物或者矿化病毒与细胞间的相互作用力很大程度上是通过矿物介导而完成的，通过矿化可以实现对病毒感染细胞的治疗，从材料角度理解病毒的感染新机制并实现对疫苗的改进。通过对肿瘤细胞的靶向矿化则可以发展为一种全新的肿瘤治疗方面。在细胞内，生物分子与材料还存在特定的相互机制，因此通过设计合理的材料可以在细胞内实通过对药物毒性抵御从而降低化疗的副作用，提出了人工细胞器的新概念。我们提出生物矿化从仿生制备到仿生策略的转变，强调要似仿自然利用材料和细胞的相互作用实现对生物体系的功能化。项目资助累计发表SCI论文21篇，其中有3篇Angew. Chem. Int. Ed.、 3篇 Adv. Mater.、 1篇JACS、2篇Biomaterials、2篇Chem. Commun.以及还有Chem. Sci., Adv. Funct. Mater.等。