ACS Nano文献解读：通过纳米粒子的表面官能化和“蛋白质电晕”现象规则识别巨噬细胞

【摘要】

马萨诸塞大学阿默斯特分校和瑞典格罗宁根大学的科学家最近在ACS Nano上发文，报道了他们在正常的生理条件下通过适当的表面工程控制“蛋白质电晕”特性及本质，蛋白质电晕特性取决于纳米粒子的表面化学结构和疏水性能，通过protein corona特异性补体蛋白的识别，将纳米粒子“吞进”巨噬细胞。

总之，这项研究表明表面官能化可以被用来调节形成在纳米粒子表面的“蛋白质电晕”，研究具有这类纳米粒子相互作用的巨噬细胞的特性。

【解读】

蛋白质作为自然界广泛存在且应用的大分子，不同种类的蛋白质涵盖了生化领域的各个方面，如生物催化、手性识别、免疫和载体运输等。近年来，多以蛋白质与纳米颗粒之间相互作用即“蛋白质电晕”（Protein Corona）为题研究颗粒形貌和表面特性对蛋白活性和两者结合能力（强度和稳定性）的影响。

这类蛋白质主要是体液存在的蛋白质，如血清白蛋白和免疫球蛋白等，研究重点在于纳米颗粒进入体内后如何影响蛋白质的成分及性质。然而，根据纳米颗粒与蛋白质之间的相互作用可以做成一些功能性的器件，如传感器、药物运输系统和纳米探针等。

纳米颗粒种类的广泛性、形貌的多样性以及多种功能化方法的可选择性使得蛋白质功能化纳米颗粒有着巨大的应用空间，而如何改变颗粒表面性质以实现蛋白的可控负载以及如何调控两者之间的作用关系已成为众多科学家竞相研究的热点之一。
纳米金阳离子在血液中的半衰期明显低于在单核吞噬细胞系统器官（肝和脾等）中的寿命，无法有效的清洁血清蛋白/血浆体系。为了提高金纳米颗粒在血液中的留存时间，至关重要的是弄清楚表面官能化工程对蛋白质电晕组成的影响以及被巨噬细胞的识别机制。

科学家们研究了蛋白质吸收的相互作用和巨噬细胞识别的金阳离子纳米粒子表面。研究发现，NP表面的功能化影响了在生理条件下血清中的“蛋白质电晕”的形成。巨噬细胞摄取的纳米粒子与吸附在纳米颗粒表面的关键补体蛋白吸附量直接相关，这表明血液补体系统在识别纳米粒子表面和随后的吞噬都起到至关重要的作用。

重要的是，纳米颗粒有相似疏水性，组成的端基是同分异构体，表明可变的冠状蛋白质与巨噬细胞摄取在化学纳米药物设计中起到关键的作用。
【注：端基是指在主链的最尾端或者首端的基团】

【结果简析】

图1 研究中使用的随着疏水性依次递增的纳米晶颗粒，Log P 代表了官能团疏水性的相对值

表1.纳米颗粒的理化性质（在pH7.4时的生物体液生理环境）

研究者合成了一系列相同核心大小的金纳米颗粒（2 nm核心）的不同单层官能团（图1），探讨了NP表面化学作用对蛋白质电晕形成和巨噬细胞摄取起到的作用。由于其在各种重要的传递相关参数的重要性，进一步选择表面疏水性作为一个有代表性的变量，包括细胞摄取、溶血、分布和免疫应答。

最重要的是，由于具备在原子级水平上设计蛋白质的能力，研究者合成了带有同分异构体的端基纳米颗粒（例如NP5、NP6纳米颗粒的端基分子式相同，但结构不同）并探讨其在蛋白结合和巨噬细胞摄取方面的影响。

图2 NP1−NP6表面结合蛋白的分类根据：（a）计算分子量；（b）计算等电点（PI）
在10%和50%的血清中，富集了所有分子量的冠状蛋白质。相比PI＜7被吸附蛋白的主要结构与在pH值为7.4时10%和50%血清中的NP6，表明NP1-NP6与血清蛋白的结合方式主要是静电相互作用。

研究者们也成功的对纳米颗粒冠状组成成分进行了确认和半定量分析了，其包含大约100种不同的蛋白质。（Supplementary Document S1 and S2.）中包括它们的表面结合、控制血清蛋白分子量和相对丰度等在内的数据。第一，NP1−NP6表明蛋白质尺寸与结合能力没有明显的关系（图2a）。第二，在pH7.4时，蛋白质带有净负电荷，在血清中没有其他相关蛋白时可以显著富集NP1−NP6的蛋白质，表明NP1−NP6的结合主要是静电作用。第三，在NP表面硬质蛋白的丰度与其在血清中不符，说明具有高度的NP血清选择性作用。

图3 在10%生理血清中NP1-NP6表面确认的分类冠状蛋白

图4 在50%生理血清中NP1-NP6表面确认的分类冠状蛋白

为了更好地理解具体的化学基团在冠状蛋白起到的作用以及后续对血液中纳米颗粒的影响。根据它们在血液中的功能（即激活补体、免疫反应、凝血分类鉴定的蛋白、急性期反应和脂质代谢），进一步使用生物分析工具鉴定蛋白质并分类。在研究者的分析中，凡是培养在血清10%（图3）和血清50%环境中（图4）不论何种NP表面成分，发现组成冠状蛋白的主要蛋白质类型为免疫球蛋白和载脂蛋白（约占总蛋白的60%）。

值得注意的是，在10%血清中蛋白质的数量高于50%血清中的。这大概是发生了这样一个过程：在稀释的血清样品中之间的NP和血清蛋白的相互作用主要是可逆的，而在高浓度的血清蛋白，丰富的血清蛋白可以掩盖NP表面，从而降低数量较少的那类蛋白质接触到NP表面。

值得注意的是，载脂蛋白量随NP表面疏水性增加而降低，印证了在10%血清中NP的疏水性是载脂蛋白形成的关键。然而，在蛋白质含量较高（50%血清）时并没有观察到脂蛋白和NP疏水量之间的相关性（图4b）。

图5 3h后不同生理条件下在RAW细胞中的NP1−NP6的摄入量：（a）10%血清；（b）50%血清

图6在50%生理血清条件下NP1−NP6中巨噬细胞摄入和冠状蛋白类型之间的关系

图6在50%生理血清条件下NP1−NP6中巨噬细胞摄入和冠状蛋白类型之间的关系（已选定的不同的类别的蛋白质，表现出较大的正相关或负相关）研究者进一步确定了相关的摄入方式和NP1−NP6的蛋白形成方式，促进巨噬细胞识别蛋白的形成。图6表示为在50%血清条件下在冠状发现某特定蛋白的皮尔森系数（r）。C4BPA和IGLC2显示与巨噬细胞摄取最高的正、负相关系数（r）。以C4BPA为基础组成的冠状蛋白质将会造成更多的纳米颗粒被巨噬细胞摄入，这也使得其有能力结合凋亡/坏死细胞，并为免疫清除系统识别它们。

图7 在50%血清环境中NP1−NP6的巨噬细胞摄取和特定冠状的关系：(a) C4BPA和 (b) IGLC2:

结果表明，亲水性纳米（NP1和NP2）对C4BPA具有较高的吸收（图7a；皮尔森相关系数0.80，p值＜0.1）和巨噬细胞对上述NPs的高摄取，而疏水性纳米颗粒表明低的吸收略微降低巨噬细胞的摄取能力，这表明通过适当调节NP表面疏水性以降低巨噬细胞识别能力是一个有效的途径。

另一方面，在疏水纳米颗粒表面的IGLC2具有较高吸收(图7b，皮尔森相关系数0.82，p值＜0.05）因而降低巨噬细胞对它们的摄取，这表明通过简单的纳米颗粒表面工程可以促进或抑制特定血清蛋白对巨噬细胞的识别。总体而言，纳米颗粒表面使用的类型可以通过吸附和摄入量来表征，进而通过纳米颗粒表面化学的方法规则化巨噬细胞识别提供了必要的设计参数。

【总结】

在体外和生理血清不同浓度下，NP表面的功能性设计控制了冠状蛋白质的形成。更重要的是，NP表面的冠状蛋白不同的形成过程不仅与其表面的疏水性有关，而且也和它表面有机物端基的排列有关。并且，形成的这种蛋白质电晕进一步决定了巨噬细胞的摄取（摄取是正面或负相关某些特定类型的蛋白质，并由不同类型的NP表面的功能性表现出来），并显示出与特定的补体蛋白具有高度相关的性质。

本研究为NP表面的工程化提供了指导性的建议，可以避免或利用关键蛋白成分应用于不同的治疗过程。证实了血清化学设计的重要性以及为控制原位形成NP蛋白电晕提供指导。

【备注】

该研究成果近期发表在ACS Nano (IF:12.881)上，文献链接：Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona （非原网页读者请到材料牛下载）

本文由材料人生物材料学习小组guhaolove1供稿，材料牛编辑整理。

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