Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Chen Chunying vom National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat kürzlich die Evolution des Nanoproteins Corona während der Endozytose und seine Störung der Proteinhomöostase und der Zelle untersucht Stoffwechsel. Ihre Ergebnisse wurden in veröffentlicht PNAS.
Wenn Nanopartikel in biologische Systeme eindringen, binden Biomoleküle einer biologischen Flüssigkeit schnell an die Oberfläche der Nanopartikel. Die durch Wechselwirkung mit Proteinmolekülen im Blut gebildete Korona aus Nanoproteinen hat als Ausgangspunkt einen enormen Einfluss auf den Transport und Verbleib der Nanopartikel. Wie die Bildung des Nanoproteins Korona die Erkennung, den Transport, die Verteilung, die Funktion und die biologischen Wirkungen von Nanopartikeln in den Geweben und Zellen verschiedener Barrieresysteme beeinflusst, ist eine „Black Box“ für die medizinische Anwendung von Nanomaterialien, die nicht nur die Abgabe einschränkt Effizienz der Nanomedizin, sondern beeinträchtigt auch ernsthaft die Wirksamkeit und Sicherheit.
Eine wichtige Herausforderung in diesem Bereich ist die Komplexität der Nanoproteinkorona, die durch die Vielfalt der Biomoleküle in verschiedenen Geweben und Organen sowie durch physiologische und pathologische Zustände beeinflusst wird. Derzeit besteht ein dringender Bedarf zu verstehen, wie sich die Proteinzusammensetzung und die strukturellen Eigenschaften der Proteinkorona in biologischen Mikroumgebungen entwickeln.
Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher das dynamische Entwicklungsmuster der Proteinzusammensetzung des Nanoproteins Korona im Prozess des Zelltransports durch die innovative Anwendung von multidimensionalen Multi-Omics (Proteomics, Metabolomics, Lipidomics), intermolekularen Wechselwirkungen, aufgedeckt und In-situ-Massenspektrometrie-Bildgebung.
Am Modell von Gold-Nanopartikeln wurde der dynamische Evolutionsprozess der Proteinkorona vom Blutsystem ins Intrazelluläre (Blut-Lysosomen-Zytoplasma) untersucht. Wenn die Nanopartikel aus der Blutumgebung in das Lysosom endocytiert würden und dann aus dem Lysosom in das Zytoplasma entweichen würden, würde sich die Proteinzusammensetzung auf der Oberfläche der Nanopartikel dramatisch ändern. Die meisten wurden durch intrazelluläre Proteinmoleküle ersetzt, wobei nur ein Teil der in der Blutumgebung gebildeten Proteinkoronakomponenten erhalten blieb.
Anschließend störte die intrazelluläre Evolution der Nanoproteinkorona nicht nur die intrazelluläre Proteinhomöostase (Proteostase), sondern löste auch die Anreicherung von Chaperonproteinen (HSC70, HSP90) und Pyruvatkinase M2 (PKM2) auf der Oberfläche der intrazellulären Nanokorona aus. und stimulierte Chaperon-vermittelte Autophagie. Es beeinflusste außerdem die Glykolyse der Zellen, verursachte Veränderungen im Energiestoffwechsel der Zellen und regulierte den Lipidstoffwechselprozess der Zellen.
Diese Studie erläutert das Evolutionsmuster von Nanopartikeln aus dem Blut in eine subzelluläre Mikroumgebung und identifiziert die Spezifität der intrazellulären Mikroumgebung der Nanoproteinkorona, wodurch der Zellstoffwechsel umgestaltet wird. Es bietet auch theoretische Unterstützung für ein vertieftes Verständnis der komplexen biologischen Wirkungen von Nanomaterialien und der nanobiotischen Grenzflächenregulierung.
Rong Cai et al, Dynamischer intrazellulärer Austausch der Proteinkorona von Nanomaterialien stört die Proteostase und remodelliert den Zellstoffwechsel, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2200363119