利用同步辐射技术研究金纳米棒表面理化性质调控的细胞学效应及其机制

During applying in biomedicine, surface modification provides more excellent properties of gold nanorods(AuNRs). However, the issue about safety of AuNRs has been raised and gets close attentions. With different surface properties, the safety of AuNRs can be predicted and evaluated according to the study in cellular effects. Importantly, this study should base on the interaction between AuNRs and bio-interfaces including proteins and biomembranes. Nevertheless, the fine structure between AuNRs and bio-interfaces is hard to be obtained according to traditional techniques, which restrain further understanding of cellular effect mechanism. As we know, synchrotron radiation(SR)-based analytical techniques can provide fine structure information of high resolution. Therefore, in this proposal, we plan to apply SR-based analytical techniques and usual approaches in nanobiology research in studying how surface physicochemistry mediate interaction between AuNRs and biointerfaces and following cellular responses. As a result, we hope to obtain the central information about nano-biointerfaces using SR-based analytical techniques. Based on the above information, we will also take advantage of routine techniques for nanomaterial characterization, molecular cell biology, and element quantitation, and macroscopic techniques to study the structures and properties of nano-biointerface and following cellular effects. Furthermore, we will use molecular dynamics models to describe the molecular events happened at interfaces. Finally, we will try to explain how surface physicochemical properties mediate interaction between proteins, membranes and AuNRs and the possible mechanism about surface effects of AuNRs on cells. In conclusion, the research will probably provide basic and important evidences which are instructive to understand and evaluate safety of nanomaterials. It will also build up a novel approach to investigate cellular effects and contribute to related studies about the interaction between nanomaterials and biointerfaces.

金纳米棒（AuNRs）的表面修饰赋予生物医学应用中的优异性能，但其安全性也引起密切关注。细胞学效应的研究能对不同表面性质AuNRs的安全性预测和评价，一般需从AuNRs与蛋白质、生物膜等生物界面作用等基本问题着手。但是，传统的研究手段难以获得AuNRs-生物界面的精细结构，限制了细胞学效应的研究。因此，本项目拟充分利用同步辐射分析方法的高分辨结构解析能力，结合常规纳米生物学方法，研究表面理化性质对AuNRs-生物界面作用及细胞学效应的调控机制。目标是用同步辐射技术获取界面作用的关键结构信息；通过纳米表征、分子细胞学技术、显微成像、元素定量分析等技术，研究界面结构与性质及其对细胞学效应的影响；并通过理论模拟刻画界面作用的分子过程，揭示表面性质调控细胞学效应的可能机制，为AuNRs的安全与合理应用提供科学依据和理论指导。本项目将建立研究细胞学效应的新方法，为纳米-生物界面研究提供参考与借鉴。

金纳米棒(AuNRs)的生物医学应用价值非常广泛，表面修饰与结构可赋予优异的应用性能，也调控其安全性。目前，细胞学效应研究关注不同表面AuNRs安全性预测和评价，多停留在生物学现象层面，缺少对AuNRs与蛋白质、生物膜等界面作用的深层次机制探讨。原因是，传统研究手段难以获得AuNRs-生物界面的结构；而同步辐射技术具有元素特异、原位无损、高灵敏、结构分辨、高空间分辨等特性，在生物效应研究中，既能解析界面结构，还能实现单细胞高分辨成像。基于同步辐射界面结构解析方法（X射线吸收近边结构XANES）与先进成像方法（X射线荧光成像XRF、纳米CT、软X射线扫描透射显微成像等STXM），研究了AuNRs与蛋白质、细胞膜作用的界面结构及其调控的生物效应，研究了金属纳米颗粒（银纳米颗粒及含Gd纳米载体）在细胞内蓄积、降解、配位等界面行为与毒性关系；基于对纳米-生物界面作用构效关系的认识，研究了纳米载体表面的结构设计与生物医学效应的相关性。研究取得以下重要结果和关键数据：1）相对于其它表面修饰，CTAB修饰的AuNRs对细胞膜造成明显破坏作用与毒性；发现血液白蛋白吸附，可显著降低细胞膜损伤及细胞毒性，并借助于界面结构解析方法（XANES）和细胞成像（XRF），阐明了蛋白质二硫键与金表面呈Au-S吸附降低细胞毒性的化学机制，并解析了结合位点和结合面。相关工作发表于JACS(2013)、Nanoscale。 2）结合XANES、nanoCT、STXM等界面解析与成像方法，捕捉了纳米颗粒的细胞摄入、转运等生物过程，解析了它们在细胞内转化的化学过程，阐明了银纳米颗粒产生毒性的化学机制即源于银纳米颗粒降解并逐步转变为Ag-S-形式；揭示了含Gd多功能纳米载体低毒性与成像效果优异的本质，源于Gd以配位化合物存在。相关工作发表于ACS nano、ACS Applied Materials & Interfaces。3）基于纳米-生物界面作用的规律，理性设计多功能纳米材料，用纳米载体精确调控细胞信号通路，高效地逆转肿瘤耐药性。相关研究发表于JACS(2015)、Advanced Functional Materials。基于同步辐射的界面结构解析与细胞成像方法，为纳米材料安全性评价与生物医学效应提供了重要方法和参考，研究结果将为理解纳米材料结构调控生物医学效应构效关系提供理论依据。