生物-无机纳米复合材料研究取得系列进展

2011-5-23 11:33 来源: 中国科学院
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  随着纳米技术的不断发展及其在生物医学领域的广泛应用,对各种纳米材料进行系统研究、并作出全面的生物学评价正变得日益迫切与重要。国家纳米科学中心研究组从细胞到动物整体水平上对多种天然蛋白-无机纳米复合材料的性质、生理效应、机制及其生物医学应用进行了深入研究,并取得了一系列进展。

  在手性生物分子表面修饰对量子点细胞毒性的影响研究方面,研究组选取两组不同粒径的碲化镉(CdTe)量子点,在其表面分别修饰具有不同手性的谷胱甘肽(GSH),从而得到手性量子点L-GSH-CdTe和D-GSH-CdTe。各组GSH-CdTe对培养的人肝癌细胞均表现出手性相关的细胞毒性及细胞自噬激活现象,而GSH-CdTe的细胞毒性与其诱导自噬的能力密切相关。同时,GSH-CdTe造成细胞溶酶体稳定性和pH值下降。进一步研究表明,由于两种量子点表面的谷胱甘肽手性不同,导致其与环境中游离的含巯基分子发生表面交换的效率不同,进而导致了两者稳定性的差异,这可能是导致其不同生物效应的主要原因。该研究揭示了与纳米材料表面稳定剂手性相关的细胞代谢及毒性调控机制,为设计更安全的医学成像用生物分子表面修饰剂提供了新的思路,也提示自噬可能是纳米材料相关细胞毒的一种普遍机制。相关研究结果已在线发表于Angew. Chem. Int. Ed.(DOI:10.1002 / anie.201008206)。

  在蛋白质指导的贵金属纳米粒子合成及其性质研究方面,研究组选用去铁蛋白(apoFt)为纳米反应器,利用其中空球型内腔为模板,首先合成了粒径小于2 nm、尺度均一、分散性和稳定性良好的铂纳米颗粒(Pt-Ft)。Pt-Ft在不同的条件下能够模拟过氧化氢酶(CAT)和辣根过氧化物酶(HRP)活性。该纳米模拟酶不仅表现出良好的极端条件下的稳定性,还表现出对pH和温度截然不同的依赖关系:Pt-Ft模拟CAT活性时,模拟酶活力随着pH值或温度的增加逐渐增强,高温和高pH值还具有对酶活的协同增强作用;Pt-Ft模拟HRP时,其活力与天然HRP对温度和pH的依赖关系相似,最适pH均为4,最适温度也相近。这些独特的性质使得去铁蛋白指导合成的铂纳米粒子Pt-Ft在生物医学和环境科学等领域都具有良好的应用前景。该研究结果发表在近期的Biomaterials (2011, 32, 1611-1618)上。

  随后,研究组继续以天然去铁蛋白为纳米反应器,应用“控制点”(points of control)策略,在铁蛋白重链的铁氧化酶活性位点可控合成了各种成对纳米金簇(Au-Ft)。与单一金簇相比,合成的Au-Ft复合物不仅保留了贵金属金固有的光致发光特性,而且表现出可变的荧光发射光谱、显著的荧光增强特性、以及最大发射波长的红移,从而直接验证了金簇对间相互作用效应的存在。Au-Ft具有高度的生物相容性和低细胞毒性,在小鼠体内外都表现出铁蛋白受体介导的靶向定位作用。研究证明,Au-Ft可作为荧光探针用于远红外生物医学整体成像,并具有小鼠肾脏特异组织靶向性。该研究提供了一种在低毒和具有生物活性的纳米结构中合成贵金属成像剂的理想方法。相关研究结果以论文的形式(Article)在线发表于J. Am. Chem. Soc.(DOI:10.1021/ja200746p)。

  研究组的该系列工作将生物分子与无机纳米材料特性相结合,为各种具有生物医学应用前景的新型生物纳米结构的合成提供了新的机遇。该研究工作得到了中国科学院、科技部973项目和国家自然科学基金委的资助。

  

  手性GSH表面修饰影响量子点的细胞毒性:D-GSH-QDs的细胞毒性小于L-GSH-QDs,量子点诱导细胞死亡的能力与其手性依赖的自噬诱导能力相关

  

  去铁蛋白指导合成的Pt-Ft纳米颗粒在模拟过氧化氢酶和辣根过氧化物酶时,酶活力随pH和温度的变化各不相同

  

  去铁蛋白指导可控合成金纳米簇用于小鼠体内肾定位及生物医学成像