国家自然科学基金项目发表最新文章解析细胞代谢新机制

　　

　近日，依托于中国科学院武汉物理与数学研究所的中科院生物磁共振分析重点实验室的生物医学代谢组学研究组，在不同表面修饰金纳米棒暴露对细胞代谢影响的研究方面取得新进展，相关研究结果发表在《先进医疗材料》（Advanced Healthcare Materials）上。

　　金纳米棒在细胞成像、药物载体以及生物医学诊断和癌症的热疗中有潜在的应用前景。金纳米棒具有独特的物理化学和光学性质，可以通过表面修饰实现多功能，但目前关于其经过不同表面修饰后，影响细胞代谢的机制并不清楚，而了解金纳米棒结构与生物系统的相互作用对设计制造特定功能的纳米材料极为重要。因此，研究不同大小、不同表面修饰的金纳米材料与生物体的相互作用及其毒作用机理，揭示金纳米的结构和生物效应的内在关系，是进一步发展金纳米材料亟需解决的关键科学问题。

　　生物医学及代谢组研究员王玉兰、博士柳志刚等采用代谢组学技术并结合分子生物学、细胞成像方法研究了不同表面修饰金纳米棒对A549细胞及16HBE细胞的代谢影响。A549细胞来源于人肺腺癌细胞，而16HBE细胞来源于正常人支气管上皮细胞。PSS（聚苯乙烯磺酸钠）、PDDAC（聚二烯丙基二甲基氯化铵）和PEI（聚乙烯亚胺）被用于修饰金纳米棒，合成后的PSS金纳米棒表面呈负电荷，而PDDAC及PEI修饰的金纳米棒表面呈正电荷。研究发现正电荷与负电荷的金纳米棒引发细胞不同的代谢应答。同时，这些金纳米棒对A549细胞的毒性作用以及代谢影响明显大于16HBE细胞。而PEI修饰的金纳米棒显示出对A549细胞最大的杀伤作用及代谢紊乱，同时对16HBE细胞具有较小的影响。金纳米棒导致的这些代谢影响主要表现在能量代谢、胆碱代谢、己糖胺途径以及氧化应激等方面。同时，研究还发现阳离子金纳米棒可能会靶向胆碱代谢来杀伤癌细胞。这些结果为理解金纳米棒生物学效应提供了较为详实的代谢组分子信息，这些信息对理解纳米材料与生物体的作用以及为筛选及设计更高效低毒的纳米材料具有指导作用，突出了代谢组学在评估纳米材料生物效应上的应用价值。

　　此项研究得到了国家科技部（2012CB934004）及自然科学基金委（21675169，21175149，91439102，21375144）的支持。

 

表面修饰金纳米棒对细胞代谢的影响图示

原文摘要：

Metabolic Characteristics of 16HBE and A549 Cells Exposed to Different Surface Modified Gold Nanorods

Gold nanorods (AuNRs) have shown their great potential in cancer treatment due to their special physiochemical and optical properties, and the ease of surface modification. However, the molecular mechanism of biological effects induced by different surface modified AuNRs remains largely undetermined. Herein, this study for the first time systematically analyzed metabolic impacts of three surface modified AuNRs in cancer and noncancer cells detected by NMR and GC-FID/MS metabolomics and validated by molecular biological approach. It is found that positively and negatively charged AuNRs induce different metabolic consequences. Most importantly, it is found that the PEI-AuNRs display specific cytotoxicity to A549 cells while posing little impact on 16HBE cells. The cytotoxicity of PEI-AuNRs to A549 cells is manifested in large disruptions to the cell metabolisms, which affects energy metabolism, choline metabolism, the hexosamine biosynthesis pathway, and oxidative stress to cells. The results of this study provide comprehensive molecular information on the distinct biological effects of different surface modified AuNRs, and can be valuable in designing purpose-driven nanomaterials. Most importantly, this work highlights the potential of metabolomics coupled with molecular biological techniques in screening antitumor nanodrugs and revealing the molecular mechanism of their biological effects.