文 献 综 述

典型纳米材料与蛋白质相互作用的机制研究

1引言

近年来，随着新材料的开发，工程纳米粒子的生产和应用呈指数级别增长。^[1]纳米材料是一种具有纳米晶粒尺寸的超细材料，人们常通过有效的在粒子外修饰单分子或者大分子来进行纳米材料的相互识别和相互作用^[2]。由于其自身特殊的光学、电学、磁学、热学、力学等物理性能和化学性能，在各领域都备受关注，为许多领域的创新提供了基础。尤其在生物学和医学研究领域得到了迅速发展，如药物输送、成像、治疗、诊断等过程中，都有纳米材料的参与。不仅如此，纳米材料还在未来发展中起着不可忽视的作用，包括激活、失活、仿制和实现生物分子系统等功能^[3]，并被广泛用于酶、多肽与核酸等的吸附载体。

因纳米粒子具有较强表面活性^[4]，进入体内后将与大量的各种生物分子相互作用，尤其对于几乎参与了生物体所有生命功能的蛋白质分子，二者间因发生相互作用而连接。纳米粒子与蛋白质分子的相互作用，包括纳米粒子的形状、尺寸、表面特性等对蛋白质分子的动力学、热力学稳定性的影响。光谱学方法在研究结合亲和力、结合比和 NP-蛋白质相互作用机制方面发挥着重要作用。^[5]然而，纳米材料与生物分子之间的相互作用机理还没有得到深入的研究，这严重制约了生物分子的应用。

人体内的蛋白质总浓度高达10 mM量级^[4]，其中，血液和血浆中的蛋白质主要可与金属离子、病毒、人工药物、药物等发生相互作用^[6]。白蛋白具有携带药物以及内源性和外源性物质的能力，血清白蛋白是血浆中最丰富的蛋白质，是循环系统的主要可溶性蛋白成分，具有多种生理功能。在血清白蛋白中，牛血清白蛋白是最丰富的血浆蛋白，具有广泛的生理功能，可成为生物功能化的模型系统。^[7]基于此，本文对牛血清白蛋白与纳米粒子结合的相互作用规律进行了研究，并通过纳米粒子的表面功能化探索了纳米材料与蛋白质的相互作用的关系。

2纳米材料和蛋白质的相互作用

影响蛋白质在纳米粒子表面的吸附的因素包括蛋白质组分的疏水性、特定官能团、pH值和温度。此外，纳米粒子的大小、形状和表面电荷的改性也会影响蛋白质的吸附^[8]。Chen Ran^[9]等人对血浆纤维蛋白原与单壁和多壁碳纳米管的结合研究发现，多壁碳纳米管被多层纤维蛋白原包裹以形成“硬蛋白冠”，而单壁碳纳米管则被薄层蛋白质吸附以从水相中析出。纳米粒子进入生物系统与蛋白质相互反应后，会在其表面形成蛋白质冠状物^[10]。因此，对影响蛋白质冠状物形成因素的基本表征方法进行研究，总结目前对蛋白质冠状物厚度、构象、反应动力学和热力学的不同表征方法及其主要特点如下表1^[11]。

表1纳米粒子与蛋白质相互作用的分析方法^[13]

为研究牛血清白蛋白与纳米粒子结合的结构和机制，Silvia^[12] 等人对血液蛋白中常见的白蛋白、纤维蛋白原、纤维蛋白原、纤维蛋白原、纤维蛋白原、纤维蛋白原等表面功能化水溶性纳米粒子，进行了一系列光物理测量，以定量分析金纳米粒子与普通血蛋白的相互作用。发现金纳米粒子与蛋白质的结合与蛋白质结合的协同程度密切相关，这与蛋白质的粒径和天然蛋白质结构有关。同时发现，蛋白质在与纳米粒子结合时会发生构象改变，吸附蛋白层的厚度随纳米粒子粒径的增大而逐渐增大。张^[12]等人研究发现，在银纳米粒子存在下，牛血清白蛋白荧光强度急剧骤减，银纳米粒子的尺寸和显微图像对表面增强拉曼散射效应有直接影响。研究牛血清白蛋白和银纳米粒子之间的结合发现^[14]，牛血清白蛋白在紫外可见光谱中278 nm处的吸收峰减少，循环伏安图中的阴极峰电流和峰电位减小，alpha;螺旋含量减少。Ravindran 等人还研究发现^[7]，在pH大于5的溶液中，牛血清白蛋白在表面的吸附阻止了银纳米颗粒的聚集，而其吸光度在250-300 nm的峰值范围内有明显的增加，推测可能由于纳米粒子与银纳米粒子相互作用时的构象变化所致。此外^[15]，荧光分析表明，恩格尔素的存在与牛血清白蛋白的结合是一个静态猝灭过程，过程中的主要作用力为疏水性和氢键相互作用。随着alpha;-螺旋含量的降低，该结合同样可对牛血清白蛋白的构象造成改变。牛血清白蛋白还可与氧化锌纳米粒子结合，其相互作用有利于蛋白质的热稳定性和酯酶样活性^[16]。

3总结

对纳米粒子表面结合的蛋白质进行表征和分析是理解纳米粒子介导的生物学效应的真正性质的第一步。迄今为止的研究突出表明，纳米粒子的大小、形状和表面特征影响蛋白质吸附，并具有修饰被吸附蛋白质分子结构的能力。这将显著影响纳米粒子与细胞的反应性，从而决定纳米粒子的吸收途径和效率。被吸附的蛋白质也可促进蛋白质的转运纳米粒子跨越细胞壁。系统分析纳米粒子与不同结构、形状和功能性质的蛋白的结合特性，可以增强我们对纳米粒子和蛋白相互作用的现有认识。对纳米粒子蛋白相互作用的透彻认知有助于纳米粒子表面吸附特定功能蛋白或小分子药物，以便在体内传递。纳米蛋白质决定了其他无机纳米粒子表面的整体生物活性。了解这种复杂相互作用的动力学可以为这些新材料的细胞毒性、炎症潜能和其他关键特性提供有用的见解，从而为未来探索开发更安全、更有价值的应用纳米材料做好准备。

参考文献

[1]Maurer Jones Melissa, Gunsolus Ian. Toxicity of Engineered Nanoparticles in the -

Environment[J]. Analytical Chemistry, 2013, 85(1):3036-3049.

[2] 刘欢, 翟锦, 江雷. 纳米材料的自组装研究进展[J]. 无机化学学报, 2006(04):585-597.

[3] Bergese P, Hamad-Schifferli K. Nanomaterial Interfaces in Biology[M]. New York:Humana Press, 2013(01):117-198.

[4]曹傲能, 崔阳冬, 邵珠学, 等. 纳米材料与蛋白质相互作用机制研究[A]. 中国化学会. 中国化学会第29届学术年会摘要集——第35分会：纳米生物医学中的化学问题[C]. 中国化学会:中国化学会, 2013(09):1635-1653.

[5] Liwen, Li, Qingxin, et al. Analytical strategies for detecting nanoparticle-protein interactions.[J]. Analyst, 2010, 135(1):1519–1530.

[6] Lu Rui, Li Weiwei, Katzir Abraham. Fourier transform infrared spectroscopy on external perturbations inducing secondary structure changes of hemoglobin[J]. Analyst, 2016, 141(1):6061-6067.

[7] Ravindran Aswathy, Singh Anupam, Raichur Ashok. Studies on interaction of colloidal Ag nanoparticles with Bovine Serum Albumin (BSA)[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 2010, 76(1):32-37.

[8] Shruti R Saptarshi, Albert Duschl, Andreas L Lopata. Interaction of nanoparticles with proteins: relation to bio-reactivity of the nanoparticle[J]. Journal of Nanobiotechnology, 2013, 11(1):26-38.

[9] Chen Ran, Radic Slaven, Choudhary Poonam. Formation and cell translocation of carbon nanotube-fibrinogen protein corona[J]. Appllied Physics Letters, 2012, 101(13):1-4.

[10] Hu Z, Zhao L, Zhang H, et al. The on-bead digestion of protein corona on nanoparticles by trypsin immobilized on the magnetic nanoparticle[J]. Journal of Chromatography A, 2014, 1334(01):55-63.

[11] 张谐天, 陶玉贵, 杨良军, 等. 纳米材料和蛋白质相互作用的表征方法[J]. 应用化工, 2015, 44(02):355-361.

[12] Lacerda Silvia H De Paoli, Park Jung Jin, Meuse Curt, et al. Interaction of gold nanoparticles with common human blood proteins.[J]. ACS nano, 2010, 4(1):365–379.

[13] Zhang Danhui, Yang Houbo. Synthesis of biomacromolecule-stabilized silver nanoparticles and their surface-enhanced Raman scattering properties[J]. Applied Physics A, 2013, 112(3):739-745.

[14] A, A. Gebregeorgis, et al. Characterization of Silver/Bovine Serum Albumin (Ag/BSA)

nanoparticles structure: Morphological, compositional, and interaction studies[J]. Journal of

Colloid and Interface Science, 2013, 389(1):31-41.

[15] Peng Xialian, Yu Jing, Yu Qing, et al. Binding of engeletin with bovine serum albumin: insights from spectroscopic investigations.[J]. Journal of fluorescence, 2012, 22(1):511-519.

[16] Ana E. Ledesma, Doly Mariacute;a Chemes, Mariacute;a de los Angeles Friacute;as, et al. Spectroscopic characterization and docking studies of ZnO nanoparticle modified with BSA[J]. Applied Surface Science, 2017, 412(Aug.1):177-188.

文 献 综 述

典型纳米材料与蛋白质相互作用的机制研究

1引言

近年来，随着新材料的开发，工程纳米粒子的生产和应用呈指数级别增长。^[1]纳米材料是一种具有纳米晶粒尺寸的超细材料，人们常通过有效的在粒子外修饰单分子或者大分子来进行纳米材料的相互识别和相互作用^[2]。由于其自身特殊的光学、电学、磁学、热学、力学等物理性能和化学性能，在各领域都备受关注，为许多领域的创新提供了基础。尤其在生物学和医学研究领域得到了迅速发展，如药物输送、成像、治疗、诊断等过程中，都有纳米材料的参与。不仅如此，纳米材料还在未来发展中起着不可忽视的作用，包括激活、失活、仿制和实现生物分子系统等功能^[3]，并被广泛用于酶、多肽与核酸等的吸附载体。

因纳米粒子具有较强表面活性^[4]，进入体内后将与大量的各种生物分子相互作用，尤其对于几乎参与了生物体所有生命功能的蛋白质分子，二者间因发生相互作用而连接。纳米粒子与蛋白质分子的相互作用，包括纳米粒子的形状、尺寸、表面特性等对蛋白质分子的动力学、热力学稳定性的影响。光谱学方法在研究结合亲和力、结合比和 NP-蛋白质相互作用机制方面发挥着重要作用。^[5]然而，纳米材料与生物分子之间的相互作用机理还没有得到深入的研究，这严重制约了生物分子的应用。

人体内的蛋白质总浓度高达10 mM量级^[4]，其中，血液和血浆中的蛋白质主要可与金属离子、病毒、人工药物、药物等发生相互作用^[6]。白蛋白具有携带药物以及内源性和外源性物质的能力，血清白蛋白是血浆中最丰富的蛋白质，是循环系统的主要可溶性蛋白成分，具有多种生理功能。在血清白蛋白中，牛血清白蛋白是最丰富的血浆蛋白，具有广泛的生理功能，可成为生物功能化的模型系统。^[7]基于此，本文对牛血清白蛋白与纳米粒子结合的相互作用规律进行了研究，并通过纳米粒子的表面功能化探索了纳米材料与蛋白质的相互作用的关系。

2纳米材料和蛋白质的相互作用

影响蛋白质在纳米粒子表面的吸附的因素包括蛋白质组分的疏水性、特定官能团、pH值和温度。此外，纳米粒子的大小、形状和表面电荷的改性也会影响蛋白质的吸附^[8]。Chen Ran^[9]等人对血浆纤维蛋白原与单壁和多壁碳纳米管的结合研究发现，多壁碳纳米管被多层纤维蛋白原包裹以形成“硬蛋白冠”，而单壁碳纳米管则被薄层蛋白质吸附以从水相中析出。纳米粒子进入生物系统与蛋白质相互反应后，会在其表面形成蛋白质冠状物^[10]。因此，对影响蛋白质冠状物形成因素的基本表征方法进行研究，总结目前对蛋白质冠状物厚度、构象、反应动力学和热力学的不同表征方法及其主要特点如下表1^[11]。

表1纳米粒子与蛋白质相互作用的分析方法^[13]