2022年6月2日，國家納米科學中心陳春英研究員團隊在《美國國家科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 2022, 119(23), e2200363119）在線發表了題為"Dynamic intracellular exchange of nanomaterials’ protein corona perturbs proteostasis and remodels cell metabolism"的研究論文(圖1)，通過創新應用多維度多組學（蛋白組學、代謝組學、脂質組學）、分子間互作以及原位質譜成像等分析技術，首次揭示了“納米蛋白冠”的蛋白組成在細胞轉運過程中的動態演化模式，并發現該過程擾動細胞蛋白質穩態、能量代謝和脂質代謝過程。該研究工作得到了島津中國創新中心(Shimadzu China Innovation Center)的技術支持。

圖1 論文首頁標題

背景介紹

當納米材料進入生命體系時，生物流體的生物分子迅速與納米材料表面結合，形成生物分子冠，其中納米-血液蛋白分子互作形成的“納米蛋白冠”，自2006年始引起科學界的廣泛關注。前期工作發現納米蛋白冠的形成決定納米材料在多層級細胞和組織中的識別、轉運、分布、功能和生物效應，是納米材料生物應用的“黑匣子”問題，不僅決定納米藥物載體的遞送效率，還會制約納米藥物的遞送效率，并嚴重影響其有效性和安全性 [1]。該領域研究的一個重要挑戰是“納米蛋白冠”的復雜性，該復雜性受不同組織器官中生物分子的多樣性以及生理病理狀態的影響。然而目前對蛋白冠的蛋白組成和結構特性如何隨納米顆粒所處的生物微環境不同而發生變化，存在認知不明、機理不清的問題。

解決方案

為了解決這一問題，研究人員以納米金顆粒為模式納米顆粒，研究了蛋白冠從血液系統到細胞內的動態演化過程（血液-溶酶體-細胞質）（圖2），當納米顆粒由血液環境經過細胞內吞進入溶酶體，再從溶酶體逃逸進入細胞質后，其表面的蛋白組成會發生巨大變化，被細胞內蛋白質分子（PKM2、HSPs、GAPDH、ASSY等）所替代，只保留部分血液環境中形成的蛋白冠成分（FIBs、APOs、HBs、C3、S100s等）(圖2)。

圖2. 納米蛋白冠組成在細胞轉運過程中的演化過程

隨后發現，納米蛋白冠的胞內演化擾亂細胞內的蛋白穩態（proteostasis），引發伴侶蛋白(HSC70, HSP90等)和丙酮酸激酶M2（PKM2）在胞內納米蛋白冠表面的富集，并利用微量熱泳動技術（MST）驗證了PKM2、HSC70與從溶酶體逃逸出來之后的納米蛋白冠具有極強的親和力，這一吸附規律激發了伴侶蛋白介導的自噬反應（Chaperone mediated autophagy, CMA），即“納米蛋白冠引發的CMA”（Protein corona induced CMA）（圖3）。

圖3. 納米蛋白冠的組分與胞內蛋白(伴侶蛋白、代謝激酶)的交換引發伴侶蛋白介導的自噬(CMA)活性的升高

進一步，研究人員采用代謝組學發現“納米蛋白冠誘導的CMA”影響細胞糖酵解，引發細胞外酸化率（ECAR）顯著增加。結合脂質組學發現的特定脂質，利用iMScope TRIO（Shimadzu Corporation）進行鑒定和可視化分布分析顯示在動物組織水平納米蛋白冠的存在一定程度上擾動腫瘤組織中的脂質種類和分布（圖4），擾動的脂質主要富集在膽堿代謝、甘油磷脂和鞘脂代謝途徑。

圖4. 納米蛋白冠引發的CMA重塑細胞能量代謝和脂質代謝

結論

綜上所述，此項工作首次闡明了納米顆粒從血液到亞細胞微環境轉運過程中的演化模式，發現了“納米蛋白冠”的胞內微環境特異性，進而重塑細胞代謝，為深入理解納米-生物界面調控納米材料復雜生物學效應提供了新認識和理論支撐。同時借助島津成像質譜顯微鏡iMScope，可在腫瘤組織內部原位清晰展現出包括磷脂酰膽堿(PC)、磷脂酰乙醇胺 (PE)、磷脂酰肌醇(PI)類脂質等多種成分均發生了明顯變化。通過空間可視化成像技術，不僅可實現在分子水平上對純納米粒子和納米蛋白冠的生物毒理學效應進行有效研究，同時也為未來對更多種類的納米搭載生物診療試劑和材料的毒理學和安全性評價提供更為直觀有力的研究手段。

參考文獻：

[1] Cao M. et al. Molybdenum Derived from Nanomaterials Incorporates into Molybdenum Enzymes and Affects Their Activities in vivo. Nature Nanotechnology, 2021, 16: 708-716.