纳米酶活性在氧化铁纳米颗粒的生物学效应中的作用机制研究

Understanding interactions at the nano-bio interface is of fundamental importance for the development of nanomedicine. Certain nanomaterials, including Fe3O4 NPs have proven to possess enzyme-like activities in vitro and in vivo. However, functions of enzymatic activities in their biological effects need to be explored. In this project, we intend to elucidate the relationship between enzyme-like activities and the bio-effects of Fe3O4 NPs, a representative nanozyme. We will focus on the regulation of autophagy pathway and its connection with the perturbances of redox homeostasis caused by nanozymes. We will also investigate the dynamic trafficking and subcellular localization of Fe3O4 NPs that correlate with their activities. These studies will develop new strategies for the research of nanozymes and provide new insight into the mechanisms of Fe3O4 NPs-induced autophagy and other biological effects.

纳米材料与生物系统的相互作用是纳米生物医学领域的重要基础研究方向。最近的研究表明，Fe3O4等纳米颗粒在溶液和细胞环境中均表现出模拟酶活性，但酶活性对于纳米酶类材料的生物学效应的调控机制尚不清晰。本项目拟选择Fe3O4纳米颗粒这种典型的纳米酶为研究对象，以其对于细胞自噬过程的调节为切入点，系统研究酶活力对于其生物学效应的调控作用；结合活细胞成像手段研究纳米Fe3O4在细胞内的转运和定位，考察其酶活性与亚细胞环境的关系；通过研究纳米酶活性对于细胞氧化还原稳态和自噬相关通路的影响，在分子水平上阐明Fe3O4纳米酶调控自噬等生物学过程的具体机制。项目研究有望拓展Fe3O4纳米颗粒的生物学应用；此外，通过本项目的研究，可发展出一套适用于其他纳米酶的研究策略，从而促进纳米生物医学领域的进展。

包括Fe3O4纳米颗粒在内的多种纳米材料均具有拟酶活性，且纳米酶在生物医药领域具有巨大的应用潜力，全面揭示纳米酶类材料的细胞摄取、动态转运过程、亚细胞分布、及其酶活力对于生物学效应的调控机理将有助于推动该类纳米药物的应用发展。本项目选取Fe3O4纳米颗粒作为研究对象，在多个层面上对其细胞内转运过程和细胞学效应及调控机制进行了系统研究：建立了以Fe3O4为核的球形核酸（Fe3O4-SNA）并实现了荧光标记，基于显微成像技术，首次实现了对于Fe3O4纳米颗粒的活细胞成像与示踪，可视化地揭示了Fe3O4-SNA与细胞相互作用的全过程，包括细胞内吞、胞内转运、亚细胞定位、氧化还原调控等；结合分子生物学和生物化学的研究手段考察了Fe3O4对于细胞自噬、代谢活力和相关信号通路的调控，并着重研究了Fe3O4的纳米酶活力对于上述过程的影响；成功设计了一种可以高效负载功能核酸，并对细胞内关键基因的表达水平进行调控的通用型Fe3O4-SNA纳米复合物。本项目不仅揭示了纳米Fe3O4的细胞学效应及其酶活调控机制，还建立了利用细胞成像对于纳米酶类复合物进行研究的实验体系，拓展了成像技术在纳米医药领域研究中的应用。