亚利桑那州立大学的研究人员揭示了一个关键科学原理，即工程化纳米粒子表面的涂层如何最终控制其在人体内的作用方式。在一项发表于《美国国家科学院院刊》的新研究中，该团队直接测量了水相互作用如何影响纳米粒子的生物性能。
“水是所有生命所必需的，”该研究的主要作者、亚利桑那州立大学分子科学学院校董教授、宇宙材料中心主任纳夫罗茨基说，“在医学中，它是生物环境中第一个与任何纳米粒子表面相互作用的分子。通过直接测量水吸附的能量学，我们可以量化纳米粒子表面的相互作用势，并更好地预测其在体内的行为。”
这种所谓的水合能量学是针对一系列生物分子涂层的磁铁矿纳米粒子进行测量的，揭示了不同的表面涂层如何改变水相互作用、免疫识别和药物递送潜力。
这项由纳夫罗茨基和亚利桑那州立大学科学家领导的研究，包括第一作者克里斯蒂娜·利洛娃、塔米拉兰·苏布拉马尼、伊莎贝拉·蒙蒂尼、安妮·哈里森、曼努埃尔·沙勒、吴军和徐宏武，提供了第一个定量的热力学框架，将初级水能量学与纳米粒子生物性能联系起来。
为什么水很重要
尽管付出了巨大努力，但纳米医学的承诺在很大程度上未能带来新一代更好的药物来治疗疾病。这主要是由于人体提供了科学家们必须克服的复杂屏障和防御系统，才能在正确的时间将正确的药物送达正确的目标。
这也是为什么癌症化疗长期以来有众所周知的严重副作用，因为它在试图杀死肿瘤的同时，向全身输送了不需要的毒素。
因此，科学家们一直在努力开发一种特洛伊木马式的纳米医学疗法，将药物包裹在纳米粒子的保护笼中。
但还存在巨大且未解决的挑战。
这些为药物递送、成像和治疗应用而设计的纳米粒子，在被摄入后，首先必须在复杂的生物液体（如血液、肠道或脑脊液）中发挥作用。一旦进入体内，纳米粒子会立即被水分子和生物分子包围，形成一个决定其稳定性、循环时间、免疫反应和细胞摄取的纳米复合物“浓汤”。
尽管水合作用在纳米医学中扮演核心角色，但此前的研究并未直接测量生物分子涂层的磁性纳米粒子上水吸附的能量学。
触及问题的核心
亚利桑那州立大学团队通过研究由磁铁矿（氧化铁）核心和三种代表性生物分子（蛋白质——牛血清白蛋白、多糖——马铃薯淀粉、脂肪酸——月桂酸）涂层组成的核壳纳米复合物，填补了这一空白。
研究人员使用高度灵敏的量热法-气体吸附系统，测量了干燥涂层纳米粒子上水吸附的能量学、其亲水面积和相互作用势，并将结果与游离生物分子和未涂层的磁铁矿进行了比较。
结果表明，每种涂层都显著改变了水合行为——以及纳米复合物的生物相互作用潜力。
斑驳的蛋白质力量
第一个实验使用了涂有蛋白质——牛血清白蛋白（BSA）的纳米粒子，这种蛋白质在药物递送研究中常被用作人血清白蛋白的模型。总体而言，当涂覆在磁铁矿纳米粒子上时，蛋白质涂层产生了最强的初始水相互作用。BSA涂层的颗粒在表面显示出强的结合位点。
然而，总的水吸收量低于游离的BSA，揭示了不完全的表面覆盖和未涂覆磁铁矿斑块的存在。
“蛋白质涂层增加了纳米复合物的表面相互作用势，”利洛娃解释说，“但暴露的磁铁矿区域的存在引入了异质性，可能会促进蛋白质冠的形成和免疫识别。”
但这种“斑驳性”可能有利于调理素（一种标记外来颗粒以供免疫清除的蛋白质）的吸附，潜在地缩短了循环寿命。
淀粉壳
相比之下，淀粉涂层的磁铁矿表现出大的亲水表面积，但与游离淀粉相比，相互作用势较弱。
研究人员发现，淀粉链通过羟基结合到磁铁矿表面，减少了可用于水相互作用的基团数量。透射电子显微镜显示了一层致密的封装壳，限制了外部水分子的可及性。
“淀粉涂层较弱的相互作用势及其相对较大的亲水表面积表明其具有更动态和可逆的结合特性，”利洛娃说，“这在药物递送中可能是有益的，因为沿细胞膜的迁移性和降低的细胞毒性是可取的。”
这种可逆相互作用可能允许纳米粒子与细胞膜接触而不造成显著破坏——这是生物相容性的一个重要考虑因素。
脂肪风味
最引人注目的发现或许涉及月桂酸，一种脂肪酸涂层。游离的结晶月桂酸不吸附水，因为任何厨师都知道，水和脂肪油不相溶。然而，当涂覆在磁铁矿纳米粒子上时，脂肪涂层重组成了部分双层结构，导致了强水相互作用和稳定的水合界面层。
“脂肪酸重新排列成具有极强亲水性的部分双层，”利洛娃说，“这种结构增加了稳定性，与更疏水的表面相比，可能减少免疫激活。”
这种双层排列也可能促进在体内更长的循环时间。
纳米医学的更好框架
在所有三种涂层中，该研究确立了水能量学（水合焓）可以成为反映表面亲水性、异质性和生物相互作用势的关键热力学参数。
三种涂层的结果可能帮助科学家获得一个“金发姑娘”式的预测工具，以“恰到好处”地设计纳米粒子。
“我们的发现表明，表面功能化不仅仅改变了化学性质——它从根本上改变了纳米-生物界面的热力学景观，”利洛娃说，“通过理解初级水合能量学，我们可以理性地设计具有定制稳定性、免疫相互作用和药物递送行为的纳米载体。”
展望未来
这项工作对用于靶向药物递送、体内成像造影剂、癌症治疗和生物传感等应用的纳米药物设计具有广泛意义。
“这项研究为设计具有可预测生物反应性的纳米载体提供了热力学基础，”纳夫罗茨基说，“它使我们向真正理性的纳米医学迈进了一步。”
随着纳米医学研究的不断发展，水合能量学可能成为设计更安全、循环时间更长、更有效的纳米粒子疗法的核心工具，这些疗法终有一天可以挽救生命。
这项工作也为未来的研究提供了跳板，这些研究将聚焦于直接测量代表性生物分子涂层对纳米复合物的稳定化效应。
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