黄酮醇-金纳米抗氧化剂生物界面性质和生物相容性的研究

Preparation of the high-efficient and safe antioxidants for the prevention and treatment of chronic diseases caused by oxidative stress becomes research hotspot in biomedical fields. There are questions about the biocompatibility of synthetic antioxidants have limited them in applications of biomedical fields. Gold nanoparticles have a promising application in the field of synthetic antioxidants. The project will intend to prepare a series of new flavonol-gold nanoparticles antioxidants by self-assembly of the natural flavonol monomers with similar structures on gold nanoparticles through thiol ligands. The results of efficiency testing, from the aspect of molecular and cellular level, will screen the gold nanoparticles antioxidants which have strong antioxidant activity to carry out the follow-up experiments about biocompatibility. The results of security testing, from the perspective of nanobiology, will reveal the internal relationship between the own properties of gold nanoparticles antioxidants and biocompatibility. A comprehensive investigation will be performed for the binding properties of gold nanoparticles antioxidants to human plasma proteins on the nano-bio interface from the perspective of chemical thermodynamics. By studying the interaction mechanisms, the influence factors of biocompatibility will be found. The inherent law between nano-bio interfacial properties and biocompatibility of gold nanoparticles antioxidants will be explored basing on the study results above. This law will provide theoretical guidance for the controllable synthesis and postsynthetic surface modifications of gold nanoparticles antioxidants. Finally, the high-efficient and safe new flavonol-gold nanoparticles antioxidants will be produced. The project will provide a novel inspiration for development of the high-efficient and safe synthetic antioxidants. In addition, it will provide theoretical guidance on improving the biocompatibility of nanoparticles.

制备高效安全的抗氧化剂用于氧化应激所致慢性病的预防和治疗是生物医药领域研究的热点。目前对合成抗氧化剂生物相容性的质疑，限制了其在生物医药领域的应用。金纳米在合成抗氧化剂领域表现出美好的应用前景。本项目将结构相似的天然黄酮醇单体通过绿色硫醇配基自组装到金纳米粒子表面，制备一系列不同自身性质的黄酮醇-金纳米抗氧化剂。通过分子和细胞层面高效性检测，筛选高抗氧化活性的金纳米抗氧化剂。从纳米生物学角度进行安全性评价，揭示其自身性质与生物相容性的内在关系。从化学热力学角度探究纳米生物界面金纳米抗氧化剂与人血浆蛋白相互作用，明确该相互作用对生物相容性的影响因素。结合上述研究结果阐明纳米生物界面性质与生物相容性的内在规律。基于此规律理论指导金纳米抗氧化剂可控合成以及合成后表面改性。制备出高效安全的新型黄酮醇-金纳米抗氧化剂。本项目为制备高效安全的抗氧化剂提供新思路，为提高纳米粒子的生物相容性提供理论指导。

大量基础和临床实验研究证明，人体自由基过多引起的氧化应激是心血管疾病、呼吸系统疾病、精神类疾病、糖尿病甚至癌症等众多慢性病的关键诱因。制备高效安全的抗氧化剂用于氧化应激所致慢性病的预防和治疗已成为目前生物医药领域研究的热点问题。本项目通过两相合成法和柠檬酸钠法制备出不同粒径的金纳米粒子，将结构相似的黄酮醇单体，包括高良姜素、山奈酚、槲皮素及杨梅素自组装或吸附到金纳米粒子表面，制备出不同粒径的新型黄酮醇-金纳米抗氧化剂。高效性实验结果表明制备的黄酮醇-金纳米抗氧化剂清除羟基自由基、超氧阴离子自由基、DPPH自由基的能力与黄酮醇单体相比均有显著提高，且粒径越大，清除自由基的能力提高越明显。通过相关公式计算得到黄酮醇-金纳米抗氧化剂与溶菌酶、胰蛋白酶、胃蛋白酶、γ-球蛋白及血红蛋白相互作用的结合常数(Ka)、Hill协同性系数(n)，焓变(ΔH)、熵变(ΔS)、吉布斯自由能变(ΔG)等结合参数和热力学参数。阐明了黄酮醇-金纳米抗氧化剂与这五种蛋白质相互作用的亲和程度、热力学驱动因素、非共价作用力类型、吸附等温线、吸附动力学等分子作用机制。同时，该相互作用使蛋白质的主肽链出现部分去折叠现象，且对蛋白质的二级结构造成不同程度的影响，其中对溶菌酶的二级结构影响最显著，而γ-球蛋白的二级结构基本没有变化。蛋白质的结构与功能有关，因此二级结构的变化可能会影响其正常的生理功能。另外，我们进一步探究了金纳米粒子及黄酮类化合物与蛋白质的相互作用机制。研究发现金纳米抗氧化剂-蛋白质体系与金纳米粒子-蛋白质体系的相互作用机制基本相同，其不同之处与自组装或吸附上的黄酮醇有关。本项目为制备高效安全的抗氧化剂提供新思路，为金纳米抗氧化剂、金纳米粒子以及黄酮类化合物的临床应用提供基础实验数据。