稀土纳米颗粒表面涂层肽RE-1的作用机制研究

Effective surface modulation of nanocrystals-elicited biological phenomenons and effects through a thorough understanding of the mechanisms for the nanocrystals-bio interactions holds one of the keys to enable biomedical applications of nanomaterials. Through a multi-disciplinary approach, this project is the next step of applicant's recent work published on Nature Materials and aims to elucidate the biological interaction mechanisms between specific surface-coating peptides and lanthanide (LN) nanocrystals. The specific goals is to assess interaction capability of specific surface-coating peptides and lanthanide (LN) nanocrystals, to generalize the regular pattern of peptide sequence specificity and nanocrystals specificity, to reveal the molecular mechanism of reducing sedimentation and cell interaction of nanocrystals as well as the autophagy-inducing and toxicity reduction in vitro/vivo for lanthanide (LN) nanocrystals by RE-1. Our proposed work is to address the key issuse in biomedical applications, expected to shed light on the bio-nanocrystals interactions and lead to improved biosafety and biomedical applications of lanthanide (LN) nanocrystals via specific surface-coating peptides modulation approach.

本项目是申请人博士研究期间在Nature Materials发表工作的进一步发展和延伸，申请人通过化学、材料学、生物学等多学科综合交叉研究特异性结合肽涂层与稀土纳米材料的相互作用机制，通过对肽涂层与稀土纳米材料的结合能力和相互作用的鉴定和表征，归纳并总结肽涂层与纳米材料的多肽序列特异性及材料特异性，阐明涂层肽RE-1提高纳米颗粒悬浮能力并减少颗粒与细胞及器皿表面相互作用的作用机制，进一步揭示涂层肽RE-1降低纳米颗粒自噬活性和毒性的分子机理。本项目针对稀土纳米材料在生物医学应用中亟待解决的关键科学问题，从肽涂层与纳米颗粒相互作用机制的角度出发，指导肽涂层的合成和改进，实现了多肽表面修饰方法的有效人为调控，提高稀土纳米材料生物安全性，促进了稀土纳米材料的在生物医学领域的应用。本项目有望将多肽表面修饰技术发展成纳米颗粒可控表面修饰平台，指导纳米颗粒在生物医学及临床研究的更广泛的应用。

本课题自2014年启动以来，紧紧围绕国家需求、课题任务书的任务要求和目前国际、国内的研究进展，开展了大量的稀土纳米颗粒表面涂层肽RE-1的作用机制并促进其体内外应用的研究。在此项目的资助下，任务按照计划执行，完成顺利，并发表SCI文章4篇，申请中国发明专利3项，获得授权中国专利2项，授权美国专利1项。培养博士研究生6名，硕士研究生3名，博士后1名。在本项目的资助下，我们主要围绕着稀土纳米颗粒表面涂层肽RE-1的作用机制这一核心，针对项目任务书的研究目标和拟解决的关键科学问题，我们按照研究计划较好的完成了预期研究结果。在本项目的实施中，我们利用多种相互作用研究方法，如圆二色谱、NMR核磁谱分析、红外光谱分析等，通过对肽涂层RE-1与稀土纳米材料的结合能力和相互作用的鉴定和表征，证明了表面涂层肽与稀土纳米材料的高亲和力结合。我们同时合成了一系列变种肽，分析单个氨基酸变化或者肽序列重排等变化对RE-1与稀土纳米颗粒的结合能力，证明RE-1与稀土纳米颗粒的结合具有极高的序列特异性。在RE-1促进稀土纳米颗粒体内外应用的研究中，我们同时在两种不同体系中进行研究，发现在肿瘤细胞中，表面涂层肽RE-1能够通过抑制稀土纳米颗粒与肿瘤细胞的非特异性相互作用及入胞能力，提高了稀土纳米颗粒的生物安全性，降低了其毒性。而在巨噬细胞中，虽然RE-1短肽同样能够降低稀土纳米颗粒在巨噬细胞中诱发的NLRP3炎症小体的活化并能减少其体内炎症效应，通过进一步的机制探讨，我们发现与之前肿瘤细胞体系机制不同，RE-1涂层肽并不影响稀土纳米颗粒进入巨噬细胞。RE-1涂层会抑制稀土纳米颗粒产生ROS，抑制Ca2+内流，抑制NLRP3炎症小体的活化。本项目针对稀土纳米材料在生物医学应用中亟待解决的关键科学问题，从肽涂层与纳米颗粒相互作用机制的角度出发，指导肽涂层的合成和改进，实现了多肽表面修饰方法的有效人为调控，提高稀土纳米材料生物安全性，促进了稀土纳米材料的在生物医学领域的应用。