13年前！这篇Nature Nano.，开启了纳米生物医学的新认知！
纳米人
2021-11-08
2008年，加拿大多伦多大学的Warren C. W. Chan教授在发表的一篇《Nature Nanotechnology》文章中提出，工程化的纳米粒子可以积极调节目标细胞的反应，同时自己也可以作为治疗剂。这项研究打破了以往的认知，即纳米粒子只是被动的药剂，仅用于将药物运送到体内的特定目标，而不与生物环境发生相互作用。在该研究中，作者用赫赛汀分子功能化了不同尺寸的Au和Ag纳米颗粒，用以靶向几种卵巢癌和乳腺癌细胞表面过表达的ErbB2受体。通过研究这些纳米颗粒与SK-BR-3细胞(一种乳腺癌细胞)的相互作用，观察到了受体介导的细胞摄取依赖于纳米颗粒的大小。通过荧光成像跟踪直径为2 nm、40 nm和70 nm纳米颗粒的内吞，发现40 nm的纳米颗粒的内吞作用最强。此外，当40 nm纳米颗粒被吞噬时，驱动内化的ErbB2受体也被内化，这与游离赫赛汀或者40 – 50 nm直径范围外的纳米颗粒的情况相反。该研究具有深远的影响，这意味着通过改变抗体功能化纳米颗粒的尺寸，可以改变膜结合ErbB2的水平。这直接影响细胞膜受体调控的细胞信号事件，从而调节细胞行为。事实上，与使用游离赫赛汀抗体处理的细胞相比，使用40 nm纳米颗粒处理的细胞抑制了细胞生长和增加了细胞死亡。总之，这篇论文证明了纳米颗粒不是被动的传递剂，而是可以主动修饰细胞行为用来调节细胞过程。它介绍了一种想法，即通过改变纳米粒子的基本性质（如尺寸和曲率），可以使纳米粒子用来刺激特定的细胞反应。这项工作还强调了研究纳米粒子和生物物质之间的基本相互作用的重要性，以充分利用它们的能力，同时抑制它们的毒性。从那时起，这个概念就深深影响了纳米医学领域的研究。目前，该论文已被引用2730次（来源Google学术），其中包括多篇Science和Nature系列顶级期刊。该论文的主要作者Warren Chan说:“在我们创造了纳米-生物相互作用这一术语之后，人们对基础纳米颗粒研究表现出了巨大的兴趣。”“这些研究正在推动纳米技术在癌症、免疫和其他医疗应用方面的设计。”该论文的第一作者将在这项工作中获得的见解应用到他随后的科学研究中:“这项研究影响了我在开发用于癌症免疫治疗的多价抗体/蛋白质功能化纳米颗粒方面的后续工作。虽然我们的研究重点是纳米癌细胞的相互作用，但随着癌症免疫疗法和疫苗的发展，同样的原理可以应用于纳米免疫相互作用。”自2008年以来，纳米材料设计取得了重大进展，生产出了多种智能和多功能的纳米颗粒，成功应用于临床前研究中。这些功能化的纳米颗粒能够对不同刺激有响应，而且可以提供精确的疾病靶向，从而改善治疗和诊断结果。尽管，纳米-生物相互作用的基本认识取得了飞速的进展。但是，在13年后的今天，如何解开纳米材料和生物实体之间通信的基本方面，仍然是释放纳米医学全部潜力的关键。第一作者：Wen Jiang, Betty Y. S. Kim纳米粒子可以控制细胞的基本功能，并有可能杀死癌细胞，这得益于它们本身的尺寸大小。要点1：尺寸明确的工程化纳米颗粒积极参与和调节细胞反应的过程研究者合成了多价工程化纳米颗粒来选择性地控制赫赛汀及其受体ErbB2之间的特定相互作用。将多个赫赛汀分子附着在纳米颗粒表面，可以形成多价工程化纳米颗粒，交联表面ErbB2受体，并改变细胞活动。使用大小在2到100 nm之间的胶体金纳米颗粒（GNPs）制备了具有不同多价的稳定纳米结构的悬浮液。与未修饰的GNPs相比，当与ErbB2过表达的人乳腺癌SK-BR-3细胞孵育时，观察到Her-GNPs的摄取显著增强。Her-GNPs的内化作用强度依赖于纳米颗粒尺寸，在25-50 nm尺寸范围内吸收效率最高，而在这个尺寸范围之外的细胞摄取显著减少。图1. Her-GNPs和ErbB2受体之间的特定相互作用决定了它们的内化过程。内吞过程是膜受体呈现的直接衰减机制，Her-GNPs诱导交联可以下调细胞膜ErbB2水平。游离的Herceptin、G2（Herceptin功能化的2 nm Au纳米颗粒）、G10和G70处理的细胞表现出类似的膜ErbB2定位模式，几乎不存在于细胞质中。但是，对于G25和G40 Her-GNP处理的细胞，大量ErbB2受体位于细胞质内。使用荧光强度测试的横断面分析证实ErbB2从细胞表面重新分布到细胞质。在G40/G50 Her-GNPs处理的细胞中，表面ErbB2水平的波动最为显著，在两种情况下都观察到40%的下降。在其他纳米颗粒系统中，包括赫赛汀包被的银纳米颗粒(Her-SNPs)中也观察到类似的大小依赖的膜受体呈现减少趋势。综上所述，这些结果表明，利用纳米颗粒大小可以实现膜受体下调。图2. ErbB2受体内化对纳米颗粒尺寸大小的依赖。图3. 膜ErbB2表达下调与纳米颗粒大小的关系。要点3：不同粒径的纳米颗粒对下游蛋白表达，40 nm纳米颗粒处理的细胞抑制了细胞生长和增加了细胞死亡Her-GNP处理的细胞中膜受体表达水平的改变直接影响下游激酶的翻译后修饰，这些激酶对ErbB2信号通路至关重要。研究者观察到AKT和MAPK的活化显著降低，其中在G40/G50 Her-GNPs处理的细胞中效果最佳。AKT下游的细胞周期调节因子（如细胞周期蛋白D1）在24 h时被抑制，细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p27在12 h后表达升高。而在游离Herceptin处理的细胞中，这些蛋白的基础表达水平表明Her-GNPs积极参与增强生长抑制作用。因为AKT的激活也可以抑制凋亡信号，检测了caspase的激活作用。与单独使用Herceptin处理相比， G40 Her-GNPs处理细胞导致细胞死亡几乎增加了两倍。虽然所有Her-GNPs均能增强凋亡活性，但在G40或G50 Her-GNPs处理的细胞中差异最大。使用Her-SNPs体系也独立证实了类似的实验结果，表明所观察到的效应也适用于其他纳米颗粒体系。（1）尺寸明确的工程化纳米粒子可以选择性地诱导膜受体内化，下调其表达水平。这反过来又会改变下游的信号传递和随后的细胞反应。（2）证明纳米结构不仅可以被动地与细胞相互作用，而且还可以积极参与和调节对调节细胞功能至关重要的分子过程。（3）这一概念在理解纳米结构与生物系统的相互作用和协助智能纳米器件的设计方面具有重要意义，对发展基于分子的新型诊断和治疗具有巨大潜力。1、Jiang, W., Kim, B., Rutka, J. et al. Nanoparticle-mediated cellular response is size-dependent. Nature Nanotech 3, 145–150 (2008).DOI:10.1038/nnano.2008.30https://doi.org/10.1038/nnano.2008.302、Pastore, C. Size-dependent nano–bio interactions. Nat. Nanotechnol. 16, 1052 (2021).DOI: 10.1038/s41565-021-00996-zhttps://doi.org/10.1038/s41565-021-00996-z
