源於美食的科研靈感：蛋白冠或詮釋塵肺病機理

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註：文末有研究團隊簡介及本文作者科研思路分析

塵肺病是一種典型的職業病，嚴重影響著從業者的健康。該疾病多因患者吸入大量的硅酸鹽粉塵而引起，常見於採礦、建築工程、水泥生產等行業。隨著疾病的發展，患者的肺組織會因發生嚴重的纖維化而逐漸喪失功能。儘管科研工作者長期致力於該疾病的研究，且近些年來因大氣污染的越發嚴峻而對此更加重視，但關於發病的具體分子機制一直未能達成共識。

近日，由南京大學的董磊與澳門大學的王春明領導的科研團隊聯合對吸入小鼠肺部的二氧化硅微粒進行分析，發現納米尺寸的二氧化硅微粒表面通過吸附肺組織中的蛋白等生物大分子，形成了一種由多種生物大分子組成的名為「蛋白冠」的結構。其中，一類叫做轉化生長因子beta的蛋白質高度富集在顆粒表面，而這種蛋白質正是組織纖維化發生的重要誘導物。此外，該團隊設計了一系列的體外、體內實驗有力地證明，吸入的含二氧化硅的粉塵微粒在「誘導」該蛋白相對特異性富集的基礎上，還可進一步通過改變其作用方式、增加作用強度、延長作用時間，最終加劇肺組織纖維化的發生。

圖1. 進入機體內的二氧化硅微顆粒（SiNPs）會自發形成蛋白冠，轉化生長因子beta（TGF-β1）會相對特異性地高度富集於此。蛋白冠的存在阻滯了TGF-β1的內化過程，增強了其生物活性，延長了信號通路的發生時間，促進下游EMT過程，進而引發或加劇肺纖維化。

該研究通過組織病理學、細胞生物學與納米科學的交叉融合，從「納米微粒與生物系統相互作用微界面」的角度在分子層面上為該疾病的發病機制提出了新的合理解釋，有望為未來開發相應的預防與治療手段提供新的理論基礎，相關成果發表在ACS Nano上。有意思的是，本文的思路來自一道著名的葡式甜點，更多細節和精彩內容請閱讀 「科研思路分析」。

該論文作者為：Zhenzhen Wang, Chunming Wang, Shang Liu, Wei He, Lintao Wang, JingJing Gan, Zhen Huang, Zhenheng Wang, Haoyang Wei, Junfeng Zhang and Lei Dong

Specifically Formed Corona on Silica Nanoparticles Enhances Transforming Growth Factor β1 Activity in Triggering Lung Fibrosis

ACS Nano,2017,11, 1659–1672, DOI: 10.1021/acsnano.6b07461

研究團隊簡介

董磊：南京大學教授、博士生導師；主要從事生物材料與生物系統相互作用的研究，研究方向是納米物質與細胞的相互作用界面，研究內容包括納米物質與生理環境中細胞的相互作用機制，蛋白冠的典型生物活性，新型功能醫用納米材料/醫學納米機器人，納米材料與生物系統相互作用研究中的新方法、新技術等；以上研究有助於理解環境中的納米物質對生物系統的影響，並可為先進材料與生物系統的深度融合提供新的理論和技術基礎。

http://www.x-mol.com/university/faculty/41613

王春明：澳門大學助理教授、博士生導師；主要從事生物活性材料用於組織修復的研究，重點考察微/納米尺度以多糖/糖胺聚糖為代表的生物大分子與生長因子或細胞受體之間的相互作用，並將這些大分子的生物活性與其固有的理化性能結合，設計水凝膠、微載體、靜電紡絲等多種模型，應用於免疫調控、組織修復、靶向給葯、蛋白冠控制等領域。

http://www.x-mol.com/university/faculty/41614

科研思路分析

Q：這項研究是如何開始的？

A：其實是從探索「蛋白冠」開始的。我們覺得這種物質十分有趣，尤其是在南京大學這邊的實驗室著重研究納米冠的形成與控制。在此之前，我們開展了一系列研究，探索並開發了一些用於藥物（包括基因）輸送和組織修復的納米生物材料工具。但慢慢地我們發現，一個在體外經過精密化學設計和生物學驗證的藥物載體或者支架材料，進入動物體內之後，常常「不按套路出牌」，表現出與預期不同的功能，甚至和體外的結果截然相反。後來我們了解到，當進入體內的「異物」（比如顆粒）足夠小的時候，會自發地吸附體內多種生物大分子，如蛋白質、脂類分子等，進而在其表面形成一種冠狀物，即所謂的蛋白冠（蛋白冠還有一個美麗的英文名字叫Corona）。蛋白冠的存在可能改變甚至遮蔽進入機體顆粒的實際生物活性，並將其取代，成為顆粒在體內的「新生物身份」，使得顆粒表面的生物學性質與最初的設計發生「偏離」。我們在2015年發表的一篇文章（Corona-directed nucleic acid delivery into hepatic stellate cells for liver fibrosis therapy.ACS Nano,2015,9, 2405-2419）里就揭示和利用了蛋白冠的效應。而目前這項工作，則是我們首次從蛋白冠的角度詮釋一個疾病的發生、發展過程，我們發現轉化生長因子在蛋白冠里的特異性富集誘導並參與了肺纖維化的發生過程，我們的研究也為此提供了非常翔實的證據。

Q：這是一個非常有趣的發現，那麼是一開始就清楚地認識到蛋白冠效應會和疾病的機理有關嗎？

A：並沒有那麼順利。這項研究開始較早，我們在研究其他課題的時候注意到異物會引起肺纖維化的問題，但那時還不清楚蛋白冠的形成。我們前期主要集中在巨噬細胞上，後來在實驗中的一些零散的體內、體外證據，提示我們體內生物分子極有可能參與該病理過程。我們也提出過好幾種機理模型，但都不能很好地對應體內因子參與的過程。

關於這一點，一次偶然的機會給我們帶來了靈感。大概2015年初的時候，因為另一個在研項目的合作，我們短期到澳門的王春明組做學術訪問。澳門有很多葡萄牙特色的街巷和美食餐廳，有一天我們兩人在一個葡式餐廳用餐後，侍者上了一份很有名的葡式甜點，叫做木糠布丁（serradura）。我們一邊吃點心一邊談起了肺纖維化的課題，有時候靈感就是這麼奇妙，可能就是一剎那的頓悟，當時一個人指出，這種木糠粉，就非常像粉塵顆粒進入生物基質，另一人順勢提出，這種顆粒不應該是直接激活免疫細胞，而應該藉助生物基質（即形成「布丁」）來發揮作用，而蛋白冠不就像這個「布丁」嗎？差不多就是三五句話的討論吧，之前的困擾一掃而空，讓我們豁然開朗。那時，我們才發表了上面所說的有關蛋白冠的文章。於是我們從蛋白冠形成的角度，做了一系列有關粉塵與肺纖維化的推測。我們返回南京後，安排博士生王珍珍和另外幾名同學針對性地設計模型並進行測試，不斷地證實（及部分修正）了餐廳里的猜想。可以說，一道簡單的甜點，為這個研究提供了意想不到的啟示。

論文的第一作者王珍珍同學在做實驗

Q：除了有趣的發現，你們在研究過程中遇到的最大挑戰在哪裡？

A：最大的挑戰是如何證明一些關鍵的子現象和結論，因為缺乏現成的生物學方法，雖然我們有很完善的細胞、分子生物學和蛋白組學技術手段，但沒有基於這些工具專門用來研究蛋白冠形成和效應的成熟體系和策略。為此，我們不得不開發一些新的技術方法來研究。一開始很辛苦，但後來我們經過多次嘗試和改善逐漸攻克了各種難題，而且發現建立的這些方法都非常實用，不僅能夠使我們的研究順利進展，強有力地證實了我們當初的猜想，還可以為其他同行涉及蛋白冠形成的課題提供研究策略和技術手段上的借鑒和支持。最後文章得以發表，我們覺得這些特別開發的技術方法，可以稱為該研究的另一個亮點。

近期新增期刊

Journal of Membrane Science;

Bioconjugate Chemistry;Carbon;

ChemPlusChem;Advanced Science;

Food Hydrocolloids;Food Chemistry

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