国家纳米科学中心陈春英ACS Nano：手性表面决定转铁蛋白取向及其与受体的相互作用

【引言】

纳米颗粒暴露生理环境时，形成“蛋白质电晕”，其极大地决定了它们的生物命运。蛋白质的吸附可能受纳米颗粒手性表面的影响；然而，研究可用于蛋白质与纳米颗粒的手性表面的相互作用，其潜在的机制仍然尚未解决。本文制定了一种定量分析转铁蛋白对用D-青霉胺，L-青霉胺和外消旋青霉胺官能化的金纳米颗粒的吸附和构象特征的策略。利用石英微量天平平台监测吸附的转铁蛋白与HEK细胞衍生脂质体中转铁蛋白受体的相互作用。结果表明，纳米颗粒的手性表面决定了转铁蛋白的取向和构象，其随后影响转运蛋白与其受体在细胞膜上的相互作用和识别。转铁蛋白被广泛用作癌症治疗和诊断中的肿瘤靶向配体，因为转铁蛋白受体在各种类型的癌细胞的细胞膜上过表达。因此，本结果将有助于在生理环境中扩大具有手性表面的纳米颗粒的生物学认识的知识，并提供对治疗性纳米颗粒的合理设计的洞察。

【成果简介】

近日，国家纳米科学中心陈春英（通讯作者）在ACS Nano上发表了一篇题为 “Chiral Surface of Nanoparticles Determines the Orientation of Adsorbed Transferrin and Its Interaction with Receptors”的文章。该研究团队开发出柠檬酸还原HAuCl₄合成14nm的AuNP，将具有不同尺寸的柠檬酸盐保护的AuNP（Cit-AuNP）与过量的D-Pen或L-Pen或D-Pen和L-Pen的混合物混合之后离心，得到青霉胺修饰的AuNPs（Pen-AuNP）并利用荧光淬灭测量与Tf的相互作用。利用青霉胺的D，L和外消旋异构体修饰13.6±0.9nm AuNPs的表面。探讨了制备的手性表面对Tf吸附的影响。使用了QCM-D，荧光，CD，FT-IR，AFM和DLS技术等技术观察热力学，吸附方向和结构特征之间的微妙差异。同时使用石英微量天平平台来测量吸附在AuNPs的手性表面上的Tf和在HEK293细胞衍生的脂质体中表达的TfR的相互作用。

[注：Tf- Transferrin 转铁蛋白；D-Pen为D-青霉胺L-Pen 为L-青霉胺 ]

【图文导读】

图1手性分子对AuNP表面的修饰及其与Tf的相互作用的示意图

手性分子对AuNP表面的修饰及其与Tf的相互作用的示意图。

图2 Pen-AuNPs上Tf电晕形成的定量分析

（a）AuNP（D）-Tf（a）的流体动力学半径测量值作为浓度的函数的Tf；

（b）AuNP（L）-Tf（b）的流体动力学半径测量值作为浓度的函数的Tf；

（c）AuNP（D/L）-Tf（c）的流体动力学半径测量值作为浓度的函数的Tf；

（d）在Tf的六个侧面上具有电荷和结合-TfR相关残基的氨基酸的分布。使用具有彩色编码类型的电荷（红色，负电荷;蓝色，正电荷;灰色，无电荷）的Tf（PDB ID：4X1B）的空间填充模型描述了Tf的3D结构。黄色标记的残基代表Tf的C波和N波的结合TfR相关残基；

（e）Tf虚拟立方体每侧的带电氨基酸的统计分布；

（f）由QCM-D监测的吸附在Pen-AuNP和SLB上的Tf（POPC:POEPC，8:2）之间的相互作用示意图；

（g）孵育3小时后，将具有1μm扫描尺寸的Tf吸附的Pen-AuNP（150μg/mL）吸附到POPC/POEPC双层上的AFM成像；

（h）将Tf吸附的Pen-AuNP吸附到SLB上的QCM-D结果。

图3 Pen-AuNPs相互作用前后Tf二级结构的CD和FTIR分析

（a）与Pen-AuNPs相互作用前后Tf的二级结构的CD光谱；

（b）在蛋白质二级结构研究中选择的原始谱（2000-1300com^-1）作为研究的区域；

（c-g）吸附在（b）的AuNPs的手性表面上的Tf的酰胺I光谱的曲线拟合倒置SD和曲线拟合的倒置FSD，曲线拟合使用OMNIC软件进行。

图4纳米手性表面对Tf-TfR相互作用的影响

（a）实验设计原理总体框架图；

（b）COOH包被的芯片被EDC/NHS激活后，将芯片依次暴露于Pen-AuNP（步骤1）;

（c）（b）（a）中QCM-D测量的频率变化（ΔF）的示意图；

（d）步骤3的频率变化直方图，即吸附到Pen-AuNP上的Tf和在细胞来源的脂质体上表达的TfR之间的相互作用。

【小结】

该研究团队通过手性表面的NPs对Tf和TfR之间的相互作用的影响可以与Tf在手性纳米界面的吸附行为相关。Tf在14nm NPs的不同手性表面上的吸附不会发生自发和放热过程。吸附在AuNPs不同手性表面上的Tf的差异体现在吸附取向和构象变化中。同时，Tf在与AuNPs的不同手性表面相互作用后，二次结构发生不同程度的变化。此外，研究表明：NPs的表面曲率对手性纳米界面的蛋白质的吸附取向和层厚度有显着的影响。加深对生理环境中具有手性表面NPs的生物学特征的理解。

文献链接：Chiral Surface of Nanoparticles Determines the Orientation of Adsorbed Transferrin and Its Interaction with Receptors（ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00200）

通讯作者简介：

陈春英，国家纳米科学中心研究员、博士生导师。1996年获得华中理工大学生物医学工程专业医学博士学位。1996年11月至2006年5月，中国科学院高能物理研究所博士后并留所工作；2001年9月-2002年9月，瑞典卡罗林斯卡大学诺贝尔医学生物化学研究所博士后。2006年6月加入国家纳米科学中心。先后主持滚球体育 部973项目、国家仪器专项、国家自然科学基金、欧盟第六、第七框架计划(EU-FP6&FP7)、国际原子能机构协调研究计划(IAEA)等多项国内与国际合作项目。中国毒理学会及国际纯粹与应用化学联合会员，担任Metallomics、Nanotoxicology、Particle and Fibre Toxicology和Current Drug Metabolism编委。相关研究成果已在Nat Methods, Nat Commun, Chem Soc Rev, Acc Chem Res, PNAS, Nano Lett, Adv Mater, ACS Nano, Small, Biomaterials等国际著名刊物发表学术论文150余篇。中国授权专利14项，国际授权专利1项。2008年获“北京市科学技术二等奖(第二获奖人)”，2011年获“中国标准化杰出人物—创新人物”奖，2012年获“国家自然科学二等奖(第二获奖人)”，2014年获“国家杰出青年科学基金”资助以及“中国青年女科学家奖”，并入选“国家百千万人才工程”、Thomson Reuters公布的“2014年全球高引用科学家”以及“中科院百人计划”。目前主要研究方向：（1）高效低毒抗肿瘤纳米药物的研制及其作用机制的研究；（2）典型纳米材料与生物体相互作用的规律及其影响因素；（3）核分析与同步辐射技术及组学技术用于生物体系纳米颗粒暴露和效应标志物的研究；（4）易感人群环境污染物长期暴露的分子毒理学研究。

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