利用单颗粒电镜技术重构贴附于生物材料表面纤连蛋白和玻连蛋白三维结构

It is virtually known that upon contact of cells or tissues with biomaterials, selective and competitive absorption of key serum proteins on bimaterial surface is the initial event participating in cell-biomaterial interactions. Conformational changes associated with the adsorption of the proteins play crucial roles in determining the dynamic behaviors of cells, such as adhesion, proliferation, differentiation, etc, on biomaterial surface. Structural information of the absorbed proteins is therefore essentially required for a comprehensive understanding at molecular level of how cell-biomaterial interactions function. This research aims to reconstruct high resolution three-dimensional (3D) structures by single particle electron microscopy technique of two of the most critical serum proteins, fibronectin and vitronectin, after their absorption on the surfaces of graphene and graphene-hydroxyapatite composites. Through the interpretation of the 3D structures of the proteins of interest, mechanisms of their absorption and conformational changes are to be elucidated. Beyond these, this research is devoted to clarifying relationships among physicochemical properties of the biomaterial surfaces, structural characteristics of the adsorbed proteins, and behaviors of the osteoblast cells, providing further insights into design and selection of biomaterials and regulation of cellular behaviors.

生物材料与细胞或组织接触后，最先发生的行为是关键血清蛋白在材料表面的选择性贴附，而贴附于材料表面的血清蛋白的结构变化直接影响细胞的贴附行为。本项目拟以石墨烯和羟基磷灰石-石墨烯复合材料为典型生物材料，采用单颗粒电镜技术重构贴附于材料表面的纤连蛋白和玻连蛋白的三维结构，从而研究这两种影响成骨细胞贴附的重要血清蛋白在材料表面的贴附和结构变化机制，从分子水平探讨石墨烯和羟基磷灰石的表面特性对贴附蛋白选择性贴附行为和结构变化以及成骨细胞贴附、铺展、生长和扩增的影响机理，并分析材料表面结构特征、贴附蛋白特性和细胞行为三者之间的系统关系，为生物材料的多样性选择、材料表面结构设计和细胞行为的调控提供基础理论数据。

生物材料与细胞或组织接触后，最先发生的行为是关键血清蛋白在材料表面的选择性贴附，贴附于材料表面的血清蛋白的结构变化直接影响细胞的贴附行为。为揭示贴附蛋白的构象变化机制及其对细胞行为的影响，本项目选用了氧化还原石墨烯为典型材料，并进一步利用化学热沉淀法、放电等离子体烧结和真空冷喷涂技术制备了羟基磷灰石-石墨烯复合材料，采用单颗粒电镜重构技术、实时荧光定量PCR技术等研究了关键血清蛋白如玻连蛋白等在不同化学修饰材料表面贴附后的构象变化以及对后续成骨细胞黏附行为的影响。本研究初步确立了可以直观显化贴附蛋白二维构象的单颗粒透射电镜研究方法，建立了重构贴附蛋白三维结构的实验研究手段；初步揭示了纤连蛋白等在石墨烯表面的快速贴附行为，纤连蛋白呈现出长度约为100-135 nm的解折叠构象，该构象有利于蛋白结合位点的暴露，从而对细胞的贴附和后续的铺展、增殖产生影响。研究发现，当材料表面经过羧基修饰后，贴附的玻连蛋白呈现明显的30纳米尺度的多聚体构象，并充分暴露细胞结合位点，从而促进了成骨细胞贴附；而当表面经氨基修饰后，玻连蛋白则为“H”状的长10纳米宽2纳米的分散二聚体，隐藏了部分细胞结合位点，对后期成骨细胞黏附影响不大。本研究从分子水平探讨了材料表面特性对贴附蛋白结构变化以及成骨细胞行为的影响机理，研究结果为生物材料的多样性选择、材料表面结构设计和细胞行为的调控提供了一定的基础理论数据。