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蛋白层形成对纳米MOFs细胞相互作用及安全性的影响研究。三种MOFs（MIL-88、ZIF-8、UiO-66）在血清中形成蛋白层，其组成因物理化学性质差异显著，ApoA-I为共主要蛋白，ZIF-8富集急性期蛋白，UiO-66富集补体蛋白。蛋白层通过调控dyso.opsonin和表面电荷显著降低ZIF-8的巨噬细胞摄取和细胞毒性，表明蛋白层是MOFs生物安全的关键调控因素。
Miao Huang|Jiali Wang|Xiao Liu|Yukun Wang|Han Liu|Gaoxing Su|Weiqi Wang|Bing Yan
中国广州大学环境研究所，珠江三角洲水质与保护重点实验室，教育部，广州 510006
摘要
随着纳米级金属有机框架（MOFs）的广泛应用，阐明它们与蛋白质和细胞之间的基本相互作用对于评估其生物效应和生物相容性至关重要。在本研究中，我们调查了三种代表性MOFs（MIL-88、ZIF-8、UiO-66）表面形成的蛋白质冠层（PC）及其对巨噬细胞摄取和细胞毒性的影响。蛋白质组学分析表明，PC的组成高度依赖于材料本身，受MOFs独特的物理化学性质调控。MIL-88和ZIF-8主要富集急性期蛋白质和脂蛋白，而UiO-66则吸附了大量补体系统蛋白质和脂蛋白。Apolipoprotein A-I（ApoA-I）是这三种MOFs中最丰富的蛋白质，而白蛋白在ZIF-8上占主导地位，补体C3在MIL-88上富集明显。功能上，PC的形成减少了巨噬细胞对ZIF-8和UiO-66的摄取，但对MIL-88的影响可以忽略不计。这些差异归因于dysopsonin/opsonin的富集程度和表面电荷的变化。值得注意的是，PC的形成还通过减少细胞内化显著降低了ZIF-8的细胞毒性。综上所述，PC是影响MOFs与细胞相互作用及其安全性的关键因素，为设计更安全的纳米粒子应用提供了重要见解。
引言
金属有机框架（MOFs）是一类通过金属离子/簇和有机连接剂的自组装形成的多孔晶体材料，近年来引起了广泛关注。与传统纳米粒子相比，MOF纳米材料具有超高的表面积、可调的孔隙率、结构和组成的多样性以及增强的生物相容性和生物降解性[1]。这些优异的特性使MOFs在气体储存/分离[2]、催化过程[3][4]、污染物吸附[5][6][7]和化学传感[8][9][10]等多个领域得到广泛应用。此外，MOFs在生物成像、靶向药物输送和生物医学治疗[11][12][13][14][15]方面也展现出巨大潜力。通过合理设计构建块和战略性后合成修饰，可以精确调整MOFs的性质以满足特定应用的需求[16][17]。随着MOF纳米材料的广泛应用，对其生物安全性的全面评估变得至关重要，以确保其在生物医学和环境应用中的安全使用。
生物体可以通过多种途径接触MOFs，如吸入[18]、摄入[19]、皮肤吸收[20]和静脉注射[20]。前三种途径主要与环境暴露和疾病治疗相关，而最后一种途径仅发生在MOFs作为生物医学材料使用时[13]。MOFs的不可避免的暴露可能对环境和人类产生不良影响。目前关于MOFs毒性的信息主要集中在体外评估的生物相容性和细胞毒性上。MOFs释放金属离子被认为是可溶性MOFs毒性的最主要来源[21][22]。此外，它们的化学组成和物理化学性质（如大小和稳定性）也是影响MOFs毒性的关键因素[23][24]。例如，球形30纳米的MOFs会导致明显的细胞膜破裂和溶酶体溶解，从而引发最高水平的细胞坏死，相比之下，球形（90和180纳米）和棒状（90纳米）MOFs的毒性较低[25]。MOFs的细胞毒性机制主要涉及活性氧（ROS）生成[26]、氧化应激[27]、线粒体功能障碍[28]、自噬通量受损[29]、DNA损伤[30]和炎症反应[31]。在大多数情况下，MOF诱导的细胞毒性是由多种途径的协同作用而非单一机制引起的[23][24]。
当纳米粒子（NPs）进入生理环境时，生物分子会迅速且不可避免地吸附在其表面，形成蛋白质冠层（PC）[32][33]。此时，NP-PC复合物代表了NPs在生理环境中的真实形态。PC的存在赋予了NPs新的生物特性，并进而影响其生物行为[34]。研究表明，PC可以显著影响NPs与细胞之间的相互作用，包括细胞摄取[35][36][37]、免疫反应[38]、生物分布[39]和毒性[40]。在某些情况下，PC会改变NPs的预期效果[41]。例如，白蛋白、转铁蛋白或Apolipoprotein E等成分可以阻止NPs被吞噬，从而延长其在血液中的循环时间[36][42]。许多毒理学研究也强调了PC的双重效应[43][44]。一方面，PC可以通过促进NP聚集或导致蛋白质构象变化来诱导毒性；另一方面，它可以通过减轻细胞膜损伤来增强NPs的生物相容性。因此，了解MOFs与血清蛋白的相互作用对于评估其生物安全性和预测其体内行为和生物效应至关重要。
尽管MOFs在生物医学领域的应用日益增多，但它们与血清蛋白的相互作用仍不够明确。鉴于不同类型MOFs独特的物理和化学性质，其PC的形成也表现出显著差异。在本研究中，我们选择了三种代表性MOFs（MIL-88、ZIF-8和UiO-66）作为模型，研究其在血清环境中的蛋白质吸附情况。进一步分析了PC形成对这些MOFs在巨噬细胞中的细胞内化和细胞毒性的影响。结果表明，人血清中的PC在不同程度上降低了这三种MOFs的细胞摄取，并显著降低了ZIF-8的毒性。本研究阐明了MOFs在血清环境中的PC组成及其生物效应，为理解MOFs与蛋白质/细胞的相互作用提供了宝贵见解。
材料
本实验中使用的化学品均购自Sigma-Aldrich。BCA定量试剂盒来自Beyotime。Cell Counting Kit-8购自Yisheng Biotechnology Co., LTD。所有试剂均按原样使用，无需进一步纯化。实验过程中使用的是Milli-Q纯水。
MOFs的制备
(1) MIL-88的制备：将2-氨基对苯二甲酸（BDC-NH?，0.126克，0.69毫米摩尔）和六水合三氯化铁（FeCl?·6H?O，0.187克，0.69毫米摩尔）混合后溶解在...
MOFs的合成与表征
通过水热/溶剂热方法合成了三种具有不同组成的MOFs（MIL-88、ZIF-8和UiO-66）。这些MOFs在金属离子和有机配体上有所不同，但都具有合成简便和适用范围广的优点，使其成为MOF研究的理想模型系统。透射电子显微镜（TEM）成像显示，这三种纳米粒子（NPs）均呈现出明确的多面体或近似球形形态，尺寸均匀且相近（图1A–1C）。
结论
本研究探讨了三种代表性纳米级MOFs（MIL-88、ZIF-8和UiO-66）表面蛋白质冠层（PC）的形成及其生物学意义。我们的发现表明，PC不仅仅是一个简单的被动蛋白质层，而是一个复杂的界面，它对MOFs在生理环境中的生物学特性和命运起着关键作用。研究表明，尽管尺寸相似，但在化学组成、表面电荷和孔隙率上存在差异的MOFs会吸附不同的冠层蛋白质。
数据可用性
数据可应要求提供。
作者贡献声明
Miao Huang：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法学研究、实验设计、数据分析。Jiali Wang：验证、方法学研究、实验设计、数据分析。Han Liu：数据分析。Weiqi Wang：撰写 – 审稿与编辑、实验设计、资金获取。Xiao Liu：实验研究。Yukun Wang：实验研究。Gaoxing Su：撰写 – 初稿撰写、实验设计、方法学研究、数据分析。Bing Yan：撰写 – 审稿与编辑、实验设计、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国自然科学基金（编号：22576049）、杭州高等研究院、UCAS（编号：2024HIAS-V001）以及江苏省科学技术协会青年科技人才支持项目（编号：JSTJ-2023-006）的支持。
