基于蛋白质组学的无机/生物分子杂化纳米材料的细胞生物学效应及分子机制研究

硫化物、氧化物、钙磷酸盐等无机/生物分子杂化纳米材料在生物医学领域已展现出广阔的应用前景，然而目前对于这类材料可能产生的细胞生物学效应及其分子机制研究不够系统和深入，研究手段主要采用传统的生物学方法，研究结果有局限性，影响其应用。本项目拟用蛋白质、多糖、氨基酸等生物分子为添加剂，可控合成组成、形貌、尺寸成系列变化的硫化物、氧化物、钙磷酸盐等无机/生物分子杂化纳米材料。利用蛋白质组学方法系统研究合成纳米材料的细胞生物学效应及其分子机制，主要包括对细胞的粘附、伸展、增殖、分化、凋亡等行为所产生的影响及机制。本项目的研究结果将揭示合成纳米材料产生上述细胞生物学效应的目标蛋白及分子机制，弄清纳米材料的物理化学性质影响细胞生物学效应的规律，阐明合成的特殊形貌纳米材料的形成机理，认识纳米材料应用于荧光标记、药物传输等生物医学领域时的安全性，为开发新型骨修复材料及纳米抗肿瘤药物提供实验和理论依据。

本项目围绕新型无机纳米材料的合成及其细胞生物学效应和分子机制开展研究，按照项目计划书完成了预期任务，取得了系列研究成果：一是发展了形貌、尺寸及晶型可控的纳米材料合成方法并研究了形成机理。我们用少见报道的活细胞内腔为合成器、基于蛋白质等生物分子的结构设计反应等，发展了仿生合成和模板合成法。设计合成了新型的硫化物、硒化物、碲化物、氧化物、难溶钙盐、单质等组成、粒径、形貌、晶型系列变化的6个体系42种无机/生物分子杂化纳米材料；提出了碳酸钙多孔纳米组装六边片状的多糖配位定向组装机理、多孔棒状碳酸钙的孪生纳米双球晶面转动组装机理和花形羟基磷灰石层层纳米自组装生长机理等；研究了它们的物理化学性质和其中具有生物相容性好的材料的荧光标记、靶向载药、催化等性能。二是揭示了合成纳米材料的组成、尺寸和晶型等性质对其细胞生物学效应的影响。通过MTT实验、激光共聚焦显微镜分析、流式细胞仪分析等研究了合成材料的细胞生物学性质及其本质。认识到研究材料的组成相同晶型不同时，无定型态比晶态对癌细胞增殖有更强的抑制作用而对正常细胞无明显影响，表现出选择抑制性；粒径系列变化的纳米CuS，粒径小的量子点对癌细胞有更强的抑制性能；组成系列变化的Ag2S、Ag2Se、Ag2Te与BSA杂化量子点和CdS、CdSe、CdTe量子点，其细胞生物学效应与阴阳离子的配合相关。三是提出了纳米组学研究法并研究了合成纳米材料的细胞生物学效应的分子机制。采用我们提出的纳米组学方法选择研究了无定型和晶型Se和CuS量子点以及CdS、CdSe、CdTe等量子点系列的选择性抑制癌细胞增殖的分子机制。提出了无定型Se量子点的 “线粒体介导的多通道蛋白调节机制”，发现了61种差异蛋白，涉及7条信号通道。揭示了纳米材料的组成、晶型等性质影响其细胞生物学效应的分子机制。相关研究成果形成学术论文22篇，已发表17篇；获授权国家发明专利5项;培养博士和硕士研究生14名；参加国际和全国学术会议4次，重点邀请和邀请报告4次。项目研究成果对发展无机纳米材料的合成方法学、认识其细胞生物学效应本质有重要理论意义，同时可为发展新型无机纳米药物、荧光标记物、靶向载药和生物材料催化以及评价无机纳米材料人体安全性等应用研究提供参考。