蛋白质冠状物对纳米载体靶向功能的影响

To specific and effectively delivery drugs, nanoparticles have been conjugated with targeting molecules. These targeting molecules will only mediate nanoparticles into disease cells with specific receptors or over-expressed receptors. So targeting nanoparticles can specially enter and kill disease tissues or cells, and didn’t show side effect. However, when nanoparticles enter physiological environment, such as blood, proteins will be adsorbed to the surface of nanoparticles and create protein corona. So far, there are very few reports about the effect of protein corona on targeting delivery of nanovectors. Targeting nanovectors were designed and constructed without considering the effects of protein corona. To investigate the effects of protein corona on nanoparticle targeting, 48 nanoparticles were synthesized, including two types of targeting molecules, four sizes, and six densities of targeting molecules. The effects of protein corona on targeting delivery of nanoparticles were investigated by two different experiments. Whether protein corona will hinder targeting molecules bind to specific receptors. Whether protein corona will mediate macrophage uptake of these nanoparticles. The relationship between these effects and targeting molecular types, sizes, surface chemistry (density of targeting molecules) and cell lines will be concluded. From characterizing the protein corona, the relationship between these effects and adsorbed protein amounts and adsorbed protein types can be concluded. This study establishes principles for the rational design of clinically targeting nanomaterials.

为了达到靶向传递药物的目的，通常会在纳米载体表面修饰靶向分子。但是，纳米颗粒进入生理环境中，其表面会吸附蛋白质，形成蛋白质冠状物，这层吸附在最外层的蛋白质会不会影响纳米颗粒的靶向功能呢？本研究目的在于阐明蛋白质冠状物对纳米颗粒靶向功能的影响。用组合策略合成48种纳米颗粒，包含2种类型的靶向分子，4种纳米颗粒尺寸和6种靶向分子密度。通过研究蛋白质冠状物对纳米颗粒与特异性受体结合的影响，以及对巨噬细胞吞噬纳米颗粒的影响，找到这些影响与靶向分子类型、纳米颗粒尺寸、表面化学（靶向分子密度）和细胞系类型之间的关系。并定性定量表征纳米颗粒表面的蛋白质冠状物，找到蛋白质吸附量与吸附蛋白质种类与这些影响的关系。同时，用体内实验证明靶向功能好的纳米颗粒，其冠状物不阻碍靶向受体的结合，且调理素作用弱。本研究将为靶向性纳米载体的合理设计提供指导。

纳米颗粒进入生物环境后，生物分子将改变纳米颗粒的表面，最典型表现为形成蛋白冠，这些新修饰的生物分子对于纳米材料的生物学效应会有怎样的改变呢？这是进行纳米医学和纳米毒理学研究都会碰到的基本问题。本研究，合成了多种癌细胞靶向的金纳米颗粒，包括不同尺寸 （5,15，和40 nm），不同靶分子种类（叶酸或cRGD），不同靶分子密度（0%，25%，50%，75%和100%），不同PEG长度（分子量2000，5000,10000和20000）。这些纳米颗粒在完全培养基（DMEM加入10%人血清或10%牛血清）中将快速吸附蛋白，形成蛋白冠。虽然吸附的蛋白覆盖在纳米颗粒的最外层，极有可能屏蔽掉靶分子与受体的结合，但由于吸附蛋白的动态交换过程，使得靶分子得以暴露，并让这个纳米颗粒把持靶向功能。 小尺寸的靶向颗粒（5 nm）曲率较大，与靶细胞主要发生的一对一的结合，这种结合容易受到吸附蛋白的影响，导致摄取量减少∼30%。大尺寸的靶向颗粒（40 nm）曲率较小，可以与靶细胞发生多键作用，这种结合不易受到吸附蛋白的影响，加上吸附蛋白能介导内吞，导致摄取量增加∼13%。这些实验结果也进一步用计算模型证实。然而，大尺寸的靶向颗粒修饰了cRGD作为靶向分子后，细胞摄取量减少26%∼76%不等，这是由于cRGD与整合素受体的结合力较弱，易受吸附蛋白的影响。PEG链长的增加，会让细胞摄取量下降。最后，研究了吸附蛋白的纳米颗粒与巨噬细胞的相互作用情况，研究发现吸附蛋白后，所有纳米颗粒的摄取量均减少。减少量从34%到78%不等，多达15种材料的减少量达50%以上。巨噬细胞对靶向纳米颗粒的吞噬大幅下降，这将有利于增加体内循环时间和在肿瘤部位的富集。本研究的发现证明纳米颗粒的生物学活性与其尺寸和表面化学密切相关，将为设计合成理想的纳米载体颗粒提供指导。