塑料污染已成為環(huán)境和公共健康的一大威脅。納米塑料（NPs）可通過呼吸、飲食、皮膚接觸等途徑進(jìn)入人體，并在通過血液循環(huán)在組織器官中積累，對(duì)健康造成長期影響。
蛋白冠（protein corona）指納米材料進(jìn)入生物環(huán)境（如血液等體液）后其表面吸附的一層或多層蛋白所組成的結(jié)構(gòu)。蛋白冠的形成不僅改變納米粒子的表面特性，還影響其穩(wěn)定性、細(xì)胞攝取、組織分布及潛在的毒性和生物效應(yīng)。
2024年10月3日，中國科學(xué)院高能物理研究所中國科學(xué)院納米生物效應(yīng)與安全性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王黎明、張智勇團(tuán)隊(duì)攜手青蓮百奧研發(fā)團(tuán)隊(duì)，采用磁性納米材料合成技術(shù)合成帶有鐵核的聚苯乙烯納米塑料（PS NPs），通過磁分離技術(shù)高效鑒定了鐵核PS NPs的蛋白冠組成，并通過同步輻射微CT（SR-micro-CT）成像技術(shù)鑒定了鐵核PS NPs在肺內(nèi)的積累，并對(duì)其肺內(nèi)積累機(jī)制進(jìn)行了深入探究。
文章題目：Preferred Lung Accumulation of Polystyrene Nanoplastics with Negative Charges.
發(fā)表期刊：Nano Letters
影響因子：9.6
發(fā)表時(shí)間：2024年10月3日
發(fā)表單位：中國科學(xué)院高能物理研究所&北京青蓮百奧生物科技有限公司
合成帶有鐵核的PS NPs并構(gòu)建兩種表面功能化形式：羧基化（COOH-NPs）和氨基化（NH2-NPs）。通過透射電子顯微鏡（TEM）和流體動(dòng)力學(xué)直徑測(cè)量確定PS NPs的平均尺寸并測(cè)量其表面電荷。使用X射線衍射（XRD）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）確認(rèn)鐵核的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。磁性質(zhì)表征顯示鐵核PS NPs的飽和磁化值在快速磁分離中穩(wěn)定。
圖1 鐵核聚苯乙烯納米顆粒的合成與表征
磁分離法在蛋白冠的鑒定中具有以下四大優(yōu)勢(shì)：
簡單高效：通過外加磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)快速分離，高效、高通量，易于自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化；
減少損傷：不涉及高速離心等可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化或破壞的步驟，有助于保持蛋白冠的完整性和生物活性；
高選擇性：特異性分離磁性顆粒，支持多次洗滌；
高分辨率成像：結(jié)合同步輻射微CT（SR-micro-CT）等高分辨率成像技術(shù)，可提供磁性顆粒在體內(nèi)分布的三維可視化，有助于準(zhǔn)確示蹤。
使用磁分離法研究人血漿蛋白與納米塑料的相互作用，發(fā)現(xiàn)NPs的大小和表面修飾對(duì)蛋白冠中玻連蛋白（vitronectin）的富集有顯著影響。較大的NPs表面積更大，提供更多蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)，促進(jìn)玻連蛋白吸附。
圖2 鐵核PS NPs中蛋白冠成分的磁分離與鑒定
通過C57BL/6J小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)靜脈注射50 mg/kg PS NPs最初在肝中積累，帶負(fù)電荷的COOH-NPs在注射后30min內(nèi)顯著積累在肺部，而帶正電荷的NH2-NPs則沒有這種積累。直徑100 nm的COOH-NPs顯示出更有效的肺部積累，表明帶負(fù)電荷的納米顆粒能夠更有效地穿越血管內(nèi)皮屏障。
圖3 PS NPs的體內(nèi)分布和細(xì)胞攝取
關(guān)注蛋白冠中含量最豐富的玻連蛋白，發(fā)現(xiàn)玻連蛋白吸附到不同PS NPs表面時(shí)會(huì)發(fā)生不同構(gòu)象變化，可能導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和取向的變化。玻連蛋白吸附到COOH-NPs上后構(gòu)象變化較少，導(dǎo)致其細(xì)胞攝取相比NH2-NPs更低。
使用流式細(xì)胞術(shù)確定100nm PS NPs注射后30min內(nèi)在小鼠肺部的分布，結(jié)果顯示COOH-NPs在肺組織中的積累水平顯著高于NH2-NPs。免疫熒光實(shí)驗(yàn)觀察到PS NPs與肺內(nèi)皮細(xì)胞上的CD41/CD61整合素受體的共定位，表明玻連蛋白通過整合素受體介導(dǎo)的途徑促進(jìn)了COOH-NPs在肺細(xì)胞中的積累。
納米塑料的表面特性，特別是電荷和蛋白冠組成，對(duì)其在體內(nèi)的分布和積累模式有顯著影響。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解納米塑料的生物命運(yùn)和潛在健康風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義，也為未來納米塑料的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全塑料材料的開發(fā)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
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