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。
研究内容
▲ | 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
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。
中科典脂生物技术有限责任公司
中国科学院遗传与生物发育研究所
浙江大学
相关期刊
rsc.li/es-nano
Environ. Sci.: Nano
2-年影响因子* | 9.473分 |
5-年影响因子* | 9.35分 |
最高 JCR 分区* | Q1 环境科学 |
CiteScore 分† | 13分 |
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。
Peter Vikesland