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浙大&遗传所胡国庆/税光厚等: 可吸入纳米颗粒物安全性的理论新依据

日期: 来源:RSC英国皇家化学会收集编辑:胡国庆税光厚团队


研究背景

数十年来纳米科技的蓬勃发展使得纳米颗粒在生物技术、纳米医学、工业制造等领域得到了广泛的应用,同时也大大提升了人体与纳米颗粒的交互机率。当纳米颗粒进入到人体后,会自发吸附体液中的生物分子而在颗粒表面形成一层生物分子冕,这层分子冕会取代纳米颗粒原始的表面物化性质,进而影响纳米颗粒最终的生物效应。

根据进入人体的途径,纳米颗粒会遇到不同的生物体液,如吸入的纳米颗粒物沉积至肺部后,会首先遇到富含肺表面活性剂的肺泡。肺表面活性剂是一种由 90% 脂质与 10% 蛋白质所组成的脂蛋白复合体,由于其双亲特性可以覆盖在肺泡液表层形成单层膜,成为抵御外来吸入物进入肺部的第一道防线,并且具有降低肺泡表面张力的功能。

考虑到肺表面活性剂中脂质的高占比,有必要深入了解纳米颗粒与脂质的交互作用以及脂质分子冕的形成机理,特别地需要分子层面的定量研究。






为此,浙江大学胡国庆教授团队和中科院遗传与发育生物学研究所税光厚研究员结合脂质组学与分子动力学方法,研究了不同表面电荷特性的二氧化硅纳米颗粒在肺表面活性剂中形成脂质分子冕的演化过程,以及电荷特性调节纳米颗粒与肺表面活性剂交互作用的分子机制。该成果以“Lipidomic analysis probes lipid coronas on hydrophilic nanoparticles from natural lung surfactant”为题, 发表在英国皇家学会期刊 Environmental Science: Nano 上。

研究内容

本工作中,研究人员通过脂质组学分析研究了不同表面电荷特性的二氧化硅纳米颗粒在肺表面活性剂中形成脂质分子冕的演化过程。其中带负电的颗粒在肺表面活性剂中只能吸附少量的脂质分子,证明肺表面活性剂在负电纳米颗粒表面难以形成完整的脂质分子冕。表面电荷中性的纳米颗粒虽然最初很难吸附脂质分子,但通过超声处理,颗粒可以在其表面吸附约三倍多的脂质分子。这时纳米颗粒表面吸附的脂质密度非常接近理论上完全包裹颗粒所需要的脂质密度。考虑到分离过程中脂质的损失以及未探测到的蛋白质成分,可认为颗粒表面已经包裹了一层完整的脂质分子冕。当纳米颗粒表面带正电后,孵育后可自发地吸附大量脂质分子,但吸附脂质密度明显大于完整覆盖颗粒的理论值,表明有多余脂质体吸附在纳米颗粒表面。在进一步增加孵育时间或施加外部超声后,带正电的纳米颗粒最终能够形成完整的脂质分子冕。

图 1.   37℃ 下,三种电荷特性的二氧化硅纳米颗粒在肺表面活性剂中孵育一小时、一小时超声和二十四小时后,表面吸附脂质的绝对含量

借助液相色谱-质谱联用技术的优势,通过对比原始肺表面活性剂的组分,研究人员考察了正电颗粒分子冕中脂质的构成。卵磷脂(phosphatidylcholine,PC)是肺表面活性剂的最主要成分(占比约为 69.9%),在分子冕中的占比有微弱提升;鞘磷脂(sphingomyelin, SM),作为肺表面活性剂含量第二高的成分(占比约为 20.2%),在分子冕中的占比明显下降。在其他磷脂中,负电磷脂在分子冕中的占比均显示出了明显提升,而两性离子的脑磷脂(phosphatidylethanolamine, PE)明显减少。由于含有不饱和尾链的磷脂更容易弯曲以适应于纳米颗粒的高曲率表面,所以这类磷脂更容易出现在分子冕中。

图 2.   正电纳米颗粒表面上肺表面活性剂分子冕与原始肺表面活性剂的组分区别

通过粗粒化分子动力学模拟方法,研究人员在分子层面上研究了肺表面活性剂与纳米颗粒的交互作用机制。由于双亲性,脂质会在水溶液中自组装成数百纳米至微米级的封闭双分子层结构,所以在此选用了脂质双分子层来模拟水中的肺表面活性剂。模拟结果同样表明负电纳米颗粒由于静电排斥作用难以形成分子冕,而正电纳米颗粒由于显著增强的交互作用能量,能引起肺表面活性剂双分子层的弯曲,使其吸附于颗粒表面。在作用能中,两性离子磷脂 PC 因其在肺表面活性剂中的高含量,提供了对纳米颗粒的主要吸引作用。模拟结果表明阴离子脂质分子富集在与正电纳米颗粒接触的单层膜中;另一方面,由于单脂质分子固有结构决定了脂质分子间的排列倾向,也会影响吸附在颗粒表面双分子层中的脂质分布。

图 3.   肺表面活性剂与带负电、带正电二氧化硅纳米颗粒相互作用的分子机理研究

总结展望

研究团队借助脂质组学定量研究证明了纳米颗粒的表面正电荷、增加孵育时间以及施加外部超声作用均有利于纳米颗粒表面形成完整的肺表面活性剂脂质分子冕,即脂质双分子层。其中正电颗粒分子冕的脂质组分不同于原始肺表面活性剂中的脂质构成,其差异来自于不同脂质与纳米颗粒亲和力的不同及脂质分子的固有结构。

本研究表明,通过控制纳米颗粒的表面电荷特性或施加外场作用能够避免或促进肺表面活性剂脂质分子冕的形成,为吸入纳米颗粒物在生物技术与纳米医学中的安全使用提供了理论依据。

论文信息

  • Lipidomic analysis probes lipid coronas on hydrophilic nanoparticles from natural lung surfactant

    Xuan Bai‡, Sin Man Lam‡, Pengcheng Nie, Ming Xu, Sijin Liu, Guanghou Shui* (税光厚,中国科学院遗传与生物发育研究所) and Guoqing Hu*(胡国庆,浙江大学)

    Environ. Sci.: Nano, 2022, 9, 4093-4103
    https://doi.org/10.1039/D2EN00653G


主要作者

白轩 博士

浙江大学

本文第一作者,2020 年博士毕业于中国科学院力学研究所,2020 年至 2022 年在浙江大学从事博士后研究工作并入选 2020 年度“博士后创新人才支持计划”,现于杭州剂泰医药任高级研发科学家。主要致力于生物膜生物物理,纳米-生物界面,脂质纳米颗粒等领域的多尺度分子模拟研究,目前作为第一作者和共同第一作者在 Nature Communications, Biophysical Journal, Environmental Science: Nano, ACS Applied Materials & Interfaces, Nanoscale, Nano Today, Angewandte Chemie International Edition 等期刊发表多篇研究论文。








Sin Man Lam 博士

中科典脂生物技术有限责任公司

本文共同第一作者,中科脂典生物技术有限责任公司技术总监。新加坡国立大学生物学一级荣誉学位,新加坡国立大学 Wallace Prize 得主,President Graduate Fellowship 获得者,2014 年益海嘉里优秀博士后奖项。研究方向包括基于液相色谱与质谱联用的高通量、高覆盖脂质组和代谢组半定量/精准定量方法开发,并应用于临床和生物学研究中。以第一作者(含共一)/通讯(含共同通讯)作者在 Nature Metabolism,Cell Metabolism, National Science Review, Science Bulletin, Molecular Biology and Evolution, Diabetes Care 等国际学术期刊发表论文,提供质谱技术支持的科研合作论文超过 100 篇。









税光厚 研究员

中国科学院遗传与生物发育研究所

本文通讯作者,中国科学院遗传与生物发育研究所研究员,入选科技部创新人才推进计划重点领域创新团队领军人才、国家“万人计划”科技创新领军人才、中科院"百人计划”。目前担任 Journal of Lipid Research、Life Metabolism、European Journal of Lipid Science Technology 等期刊编委。团队目前的工作方向包括:开发多层次(“常规-痕量-单细胞水平”)的前沿脂质/代谢组学分析方法及代谢流技术,研究脂质代谢调控网络机制,开展功能脂质、代谢异常和相关重大疾病的内在联系等机制研究。在 Cell Metabolism, Nature Metabolism, National Science Review, Diabetes Care 等期刊发表数十篇论文。与同行合作在 Nature, Science, Nature Biotechnology, Nature Medicine, Nature Microbiology 等期刊发表 >100 篇脂质代谢相关 SCI 论文。





胡国庆 教授

浙江大学

本文通讯作者,浙江大学求是特聘教授。目前担任 Micromachines、Nanotechnology and Precision Engineering 等编委。主要从事微纳米流体力学、生物分子/颗粒/细胞/液滴输运及操控、微纳流控器件设计、纳米-生物交互作用等方向的研究。在 Journal of the American Chemical Society,ACS Nano,Nano Letters,Nano Today,Journal of Fluid Mechanics,Lab-on-a-chip,Analytical Chemistry 等期刊发表 SCI 论文 90 余篇。

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2-年影响因子*9.473
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最高 JCR 分区*Q1 环境科学
CiteScore 分13
中位一审周期48.5 天


Environmental Science: Nano 全面报道具有环境用途的工程纳米材料的设计和应用研究,以及人工与天然纳米材料在生物和环境体系中的相互作用。发文范围包括但不限于:纳米材料在水、空气、土壤、食物和能源可持续性等领域的新应用;纳米材料在生物系统中的相互作用以及纳米毒理学研究;纳米尺度材料的环境宿命、反应性和转化;环境中的纳米尺度过程;可持续性纳米技术,包括纳米材料的合理设计、生命周期评价、风险/效益分析等。

Editor-in-Chief
  • Peter Vikesland

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