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奈米材料/奈米藥物一旦進入生命體系，將面對複雜多變的多重生物屏障和生理結構，奈米材料/奈米藥物與不同組織器官、細胞、生物流體微環境等複雜奈米-生物介面的互作方式是決定奈米材料/藥物被遞送到目標部位的核心步驟。其中，奈米材料與血液蛋白質作用形成蛋白冠是誘導奈米生物效應及實現醫學應用的首要步驟。然而，奈米材料如何透過與蛋白冠表介面作用，並調控其在體內的命運及其生物效應，仍然缺乏規律性的認識，原因是目前研究缺乏跨尺度、高靈敏與高分辨的分析手段，難以原位、動態地研究奈米-蛋白冠複合物與生物體作用過程及其代謝行為，從而成為奈米-蛋白冠生物效應研究的關鍵瓶頸問題。

2021年2月18日，Nature Nanotechnology期刊發表了中科院國家奈米科學中心陳春英研究員課題組在體內奈米蛋白冠生物效應研究領域的最新研究成果Molybdenum derived from nanomaterials incorporates into molybdenum enzymes and affects their activities in vivo ，首次報道了含有必需微量元素鉬的二硫化鉬奈米材料由奈米蛋白冠介導的獨特的體內轉運、代謝和生物利用過程。

針對研究挑戰，本研究提出集奈米蛋白冠的原位表徵和代謝分析方法、蛋白質組學、分子模擬計算在內三位一體的研究策略。基於同步輻射大科學裝置與高分辨活體熒光成像，發展了跨尺度的集光學成像與原位化學測量方法，透過整合多種同步輻射先進分析技術（同步輻射微束X射線熒光、X射線近邊吸收結構譜學、軟X射線透射成像nanoCT等），建立奈米材料在靶組織、靶細胞內的分佈及其化學形態的高靈敏、高分辨原位表徵方法，實現單細胞水平上觀察奈米材料的空間定位，精確判斷體內奈米材料的降解、代謝及生物化學轉化行為。進一步綜合運用先進光源的原位表徵技術、“奈米蛋白冠”的相互作用規律研究、高效能理論計算的分子機制解析，並行實時互動多方資料鏈條，編織構造能夠揭示奈米材料在生命體內的代謝全過程與化學形態的資訊網。

具體以二維過渡金屬硫化物（二硫化鉬MoS2）作為研究物件，利用上述新方法對MoS2奈米材料的體內轉運-轉化-生物利用過程進行系統全過程的研究。首先，研究了MoS2奈米材料與血液的相互作用；定量研究了MoS2奈米材料的血液動力學和在血液各組分中的分佈，並利用軟X射線透射成像nanoCT觀察了其在不同血液細胞中的空間分佈；運用蛋白組學和分子動力學模擬研究MoS2奈米材料與血液蛋白的相互作用分子機制。接著利用同步輻射微束X射線熒光和X射線近邊吸收結構譜學研究了MoS2奈米材料在肝臟、脾臟的分佈和生物化學轉化，並發現了MoS2奈米材料降解後可影響肝中鉬酶活性和肝臟代謝功能的效應。透過研究奈米材料與重要生物系統（奈米-蛋白質，奈米-血液，奈米-肝臟和奈米-脾臟）的相互作用，揭示了材料表面的“奈米蛋白冠”組分載脂蛋白E（ApoE）主要介導了MoS2在肝臟Kupffer細胞和脾臟紅髓巨噬細胞中的富集；其次，MoS2奈米材料在肝臟和脾臟中發生生物轉化，降解生成鉬酸根離子，進而在肝臟中進入鉬酶中鉬輔因子的生物合成，增加兩種主要的鉬黃素酶（醛氧化酶和黃嘌呤氧化還原酶）的活性，影響肝臟的代謝功能。

此項研究首次系統闡明瞭奈米蛋白冠介導“奈米材料體內轉運-生物轉化-生物利用”這一“體內命運的全過程”，這對於深入理解奈米-生物介面調控奈米材料體內複雜的化學生物學效應和機制提供了新認識；首次證實了含必需微量元素的奈米材料可在體內被生物利用的過程與機制。

圖. 奈米蛋白冠介導的奈米材料“體內轉運-生物轉化-生物利用全過程”

鉬酶催化產生的一氧化氮是腫瘤發生發展的一個非常重要的因素，且其中的黃嘌呤氧化還原酶可代謝多種抗癌藥物。隨著MoS2等二維過渡金屬硫化物研究的進展，在生物醫學領域，如藥物遞送、腫瘤診療、生物成像和生物感測應用中顯示出優越的效能。因此，MoS2等奈米材料的體內應用需要特別關注其在體內的生物利用度及其對藥效的潛在影響，這是奈米材料生物醫學應用的新發現和新思考。

近年來，陳春英課題組基於同步輻射大科學裝置，建立與發展了針對複雜生物體系奈米材料的系統分析方法。這些方法具有高靈敏、高分辨、元素特異、原位分析等優點，被應用於定量解析奈米-生物介面大分子(蛋白質、磷脂)相互作用，定性表徵奈米材料在生物體內的化學行為 (Nature Nanotechnol, 2019, 14: 639; Acc Chem Res, 2019, 52: 1507; JACS, 2021, 143: 1846;JACS, 2013, 135: 17359等)。這些先進方法，將為奈米生物效應與奈米醫學研究提供關鍵、前沿的分析手段，大力地推動了奈米生物醫學的發展。

國家奈米科學中心博士畢業生曹明晶、副研究員蔡絨、博士畢業生郭夢雨和高能物理研究所研究員趙麗娜為該文章的共同第一作者，陳春英研究員為通訊作者。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41565-021-00856-w

製版人：十一