西南交大鲁雄Journal of Physical Chemistry: C文章：功能化的TiO2表面促进选择性受体识别和调节骨形态发生蛋白-2的生物学功能

【引言】

二氧化钛材料的表面改性潜力使其成为了一种被广泛关注的材料。在生物医用材料领域里，研究者们针对这种材料的生物学性能做了大量的工作。然而对于二氧化钛对生物分子功能的影响方面的研究，尤其是磷酸化二氧化钛为何能够促进骨骼修复和生长这一问题仍然缺乏理论上的解释。这一问题的存在不仅影响了现有材料的生物学性能提升，也影响了TiO₂在骨修复材料中的应用。

针对以上问题，西南交通大学鲁雄教授课题组提出了使用分子动力学方法来探究磷酸化对TiO2材料生物学功能的思路。为了实现这一想法，他们开发了一组全新的TiO₂以及功能化TiO₂的分子动力学力场，再通过分子动力学计算来研究不同接枝基团对骨形态发生蛋白-2吸附及功能的影响，最终发现磷酸化的表面能够显著增大蛋白的吸附能，更重要的是，由于骨形态发生蛋白-2的特殊结构，磷酸化的TiO₂表面可以影响蛋白的朝向，使得wrist位点暴露在材料-蛋白复合体外面。这种构型能够特异性地结合细胞表面的BMP受体蛋白I，并激活SMAD1/5/8信号通路，从而提升骨生长和修复相关的蛋白表达。研究成果以“Functionalized TiO2 Surfaces Facilitate Selective Receptor-Recognition and Modulate Biological Function of Bone Morphogenetic Protein-2”为题发表于2018年12月3日的Journal of Physical Chemistry: C上。王蒙豪博士为文章的第一作者。鲁雄教授和四川大学生物材料研究中心的王科锋副研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持。

【图文导读】

图1羟基化的TiO₂表面结构，虚线框出的结构为一个晶胞

1.羟基化的金红石（110）表面，灰色球代表5配位钛原子，红色球表示羟基氧原子，白色球代表羟基氢原子。5配位钛原子与羟基的比例为4：1

2.羟基化的锐钛矿（101）表面，5配位钛原子与羟基的比例为4：1

3.羟基化的金红石（110）表面，5配位钛原子与羟基的比例为4：2

4.羟基化的锐钛矿（101）表面，5配位钛原子与羟基的比例为4：2

图2磷酸化的TiO₂表面结构，虚线框出的结构为一个晶胞

1.磷酸化的金红石（110）表面，灰色球代表5配位钛原子，红色球表示磷酸基团氧原子，白色球代表羟基氢原子，紫色球代表磷原子。5配位钛原子与磷酸基团的比例为16：2

2.磷酸化的金红石（110）表面，5配位钛原子与羟基的比例为16：1

3.磷酸化的锐钛矿（101）表面，5配位钛原子与羟基的比例为16：2

4.磷酸化的锐钛矿（101）表面，5配位钛原子与羟基的比例为16：1

图3 BMP-2单体和二聚体的结构

1.BMP-2单体的结构，主要有2个活性位点，分别称作waist位点和knuckle位点

2.BMP-2二聚体的结构。同名位点位于二聚体同侧，其中两个waist位点形成一个口袋与BMP受体蛋白I相互识别，而两个knuckle位点则与BMP-2受体蛋白II相互识别。

图4 BMP-2单体和二聚体的结构

1.BMP-2在AOH1表面的吸附，waist位点指向表面的方向。

2.BMP-2在AOH2表面的吸附。蛋白取向与表面平行。

3.BMP-2在ROH1表面的吸附，蛋白取向与表面平行。

4.BMP-2在ROH2表面的吸附，waist位点指向表面的方向。

在这一组体系中，waist位点未暴露

图5 BMP-2在磷酸化的TiO₂表面的吸附

1.BMP-2在AOP1表面的吸附。

2.BMP-2在AOP2表面的吸附。

3.BMP-2在ROP1表面的吸附。

4.BMP-2在ROP2表面的吸附。

在这一组体系中，waist位点指向表面上方，能够发挥生物学作用。

图6 BMP-2的特殊结构以及与磷酸化TiO₂表面的相互作用

1.BMP-2的结构中，酸性氨基酸天冬氨酸和谷氨酸主要存在于Knuckle位点上。

2.表面的磷酸基团在水中往往以磷酸氢根的形式存在。弱碱性的磷酸氢根能够特异性地吸附酸性的天冬氨酸和谷氨酸。因此BMP-2的knuckle位点与表面相互结合，使得另一边的waist位点突出出来。

图7羟基对磷酸化TiO₂表面的生物学性能的影响

1.磷酸化TiO₂与BMP-2之间的吸附。

2.磷酸化+羟基化的TiO₂与BMP-2之间的吸附。

可以看出，羟基填充了磷酸氢根之间的间隙，使得蛋白与材料之间的吸附更稳定。

图8磷酸化TiO₂表面对细胞信号通路的影响

磷酸氢根修饰的表面起到了BMP受体蛋白II的作用，其与BMP2（黄色）的knuckle位点相互作用。 BMP2的waist位点则与BMP受体I型（蓝色，红色和白色）相互作用，从而激活细胞中的SMAD1/5/8信号通路并将信号传导至细胞核，激活Runx2信号通路，最终提升成骨相关的基因表达。

【小结】

在我们的研究中，通过选择合适的接枝基团和目标蛋白，我们第一次真正的做到将关注点聚焦于生物功能本身而不仅仅是一些孤立的生物分子。这证明了以材料改性来调控生物学功能的可行性。在新材料的开发中，我们可以识别目标生物分子的特征结构。 然后根据材料数据库选择适当的材料并进行适当改性。 最终制造出有效的生物材料，以求得通过物理方法（如纳米结构）和化学方法（如官能团）调节生物学功能。

本文由西南交通大学鲁雄教授课题组供稿，编辑部编辑整理。

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