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张强教授研究团队在纳米生物学领域取得新进展
日期: 2018-06-29  信息来源: 天然药物及仿生药物国家重点实验室

2018年6月19日,Nature Communications在线发表了北京大学药学院张强教授研究团队的最新研究成果:“Single-walled carbon-nanohorns improve biocompatibility over nanotubes by triggering less protein-initiated pyroptosis and apoptosis in macrophages”。论文第一作者为北京大学药学院何冰讲师,责任作者是张强教授,研究得到了国家973计划和国家自然科学基金重点项目等的资助。

图1.Nature Communications杂志在线发表页面截图

纳米(nanometer)是毫米的百万分之一,纳米技术(nanotechnology)即是研究在纳米尺度(主要是1-100nm)范围内的材料的性质及其应用的技术。20世纪90年代初,纳米技术开始作为重要的研究工具应用于科学研究领域的多个方面,距今已有二十多年,极大促进了科学与技术的进步与发展,并逐渐上升为国家层面的大研究战略。纳米生物学是纳米技术的重要组成部分,是在纳米尺度考察构成生物机体的分子间作用特征,阐明生物分子的结构与功能关系,以及研究纳米材料与生物机体的相互作用机理,以此来指导全新的疾病诊疗策略的设计构建。近年来,纳米生物学,特别是纳米医学技术迅速发展,大量用于疾病诊断或治疗的纳米材料被合成和制备,部分已经应用与临床,显示了巨大的发展潜力。

图2.a和b:基于MTT和LDH的细胞毒性测定均显示碳纳米角(SNH)相比于多壁碳纳米管(MNT1,MNT2)和单壁碳纳米管(SNT1,SNT2)而言具有更低的诱导巨噬细胞毒响应;c:细胞透射电镜结果显示碳纳米材料入胞后均定位于内吞体/溶酶体,碳纳米角(SNH)具有与碳纳米管(MNT,SNT)显著不同的形态特征

碳纳米材料是纳米技术领域的重大突破,自富勒烯(fullerene)被发现以来,碳纳米管(carbon nanotube, CNT)、石墨烯(graphene)等具有不同结构特征的碳纳米材料相继涌现,在能源、化工、医疗等领域不断推动技术革新与进步。其中,单壁碳纳米角(single-walled carbon nanohorn, SNH)是一种新型的碳纳米材料,相比于棒状的碳纳米管和片层状的石墨烯,碳纳米角具有独特的球状形态,在多个研究领域引起越来越多的关注。基于与碳纳米管在组成结构上的相似性,碳纳米角继承了碳纳米管的诸多理化特性,在生物医学诊断与治疗等方面显示出巨大的潜力,但其生物相容性及安全性依旧未知。如果能够从生物安全性角度阐明碳纳米角与生物机体的相互作用机理,对于这一新型纳米材料的生物医学应用具有重要的意义。

图3.碳纳米材料诱导巨噬细胞毒性响应的示意图:SNH尽管具有与CNT相似的结构组成,但具有不同的形态特征。结构组成的相似性显示了SNH与CNT具有相同的入胞特征与诱导细胞死亡机制(焦亡与凋亡的联合作用机制);但是纳米尺度形态差异显示了SNH相比于CNT具有更弱的GPNMB作用特征,更低的内吞体/溶酶体膜扰动,更低的胞内溶酶体应激响应,从而具有比CNT更低的纳米毒性和生物安全性。

该研究系统比较和阐明了单壁碳纳米角(SNH)和碳纳米管(CNT)对巨噬细胞的纳米毒性及生物相容性,详细研究了五种碳纳米材料与细胞的相互作用特征。发现SNH诱导细胞焦亡、细胞凋亡、蛋白质表达、水解酶渗漏、溶酶体应激、膜紊乱等层级作用机制,揭示了SNH生物安全性及相容性优于CNT的原理。特别是发现一种膜蛋白分子(非转移性黑素瘤糖蛋白B,GPNMB)调控碳纳米载体与细胞作用的新机制,发现了纳米材料诱导细胞毒性响应的新作用靶点,为包括SNH在内的碳纳米材料的生物医学应用提供了生物安全基础及调控策略。该课题属于纳米生物学领域,研究中所使用的光反射成像技术以及纳米-蛋白相互作用组学技术也为纳米载体的评价与应用提供了新的方法与思路。

延伸阅读

张强,“973计划”首席科学家、教育部创新团队负责人。北京大学药学院教授、博士生导师、分子药剂学与新释药系统北京市重点实验室主任。中国药学会常务理事、中国药学会药剂专业委员会名誉主任、中国药学会纳米药物专业委员会副主任、国家药典会委员制剂专业委员会副主任、《中国药学杂志》和《药学学报》副主编、J. Control. ReleaseNanomed.:NBM等国际杂志编委。曾任世界控释协会(CRS)中国分会首任主席、中国药学会药剂专业委员会主任委员、北京大学药学院副院长。长期从事创新药物制剂的研究与开发,在国内首批开展蛋白多肽药物给药系统、新型纳米给药系统、新型受体介导主动靶向给药系统和分子药剂学研究;主编或参编专著与教材15部;在Nat Commun、Adv. Funct. Mater.,J. Control. Release,Biomaterials,Nanomedicine:BNM,Nanoscale等本领域权威学术杂志上发表论文300多篇,SCI引用进入药理毒理学ESI排名的前0.5%;完成创新制剂研究30余项,申请国内外发明专利40多项;开发上市多个新型释药系统;获教育部自然科学一等奖、中国药学会科学技术一等奖、吴阶平-保罗•杨森医药奖一等奖、中国药学发展奖、全国优秀科技工作者和国务院特殊津贴。 

张强

何冰,2012年在北京大学药学院获得博士学位,2013年至2016年在基础医学院完成博士后研究,2016年以优秀博士后身份留校,现为药学院药剂学系讲师。主要研究领域:纳米生物学与分子药剂学,包括纳米材料与细胞/亚细胞器相互作用的分子调控机制,纳米载体细胞转运的信号调控网络等。其博士论文主要研究高分子纳米粒的跨膜转运规律、胞内转运通路与机制,被国外专家评价为“近年来里程碑式的研究”。近期研究发现,膜蛋白分子(GPNMB)调控单壁碳纳米角与细胞作用并诱导细胞焦亡等新机制,揭示了其生物相容性优于经典碳纳米管的原理。目前承担1项国家自然科学基金项目,参加了973计划等多项课题。以第一或通讯作者在Nat Commun,Biomaterials(3篇),Nanoscale,ACS Appl.Mater.Interfaces等权威期刊上发表研究论文6篇。

 

编辑:凌薇

责编:山石


   
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