研究表面改性的聚苯乙烯和二氧化硅纳米颗粒的生物分子层：在癌症研究中的应用

《Nanoscale》：Study of the biomolecular corona of surface-modified polystyrene and silica nanoparticles: application to cancer

纳米颗粒表面修饰对生物分子冠区分癌症的潜力研究。通过一维凝胶电泳分析聚苯乙烯和二氧化硅纳米颗粒的血浆生物分子冠，发现氨基和羧基修饰的二氧化硅纳米颗粒（Si-NH2和Si-COOH）能有效区分健康个体与八种癌症患者（AUC达0.93-1.00），其中肾癌和卵巢癌的BC特征最显著。该方法快速、低成本，为早期癌症诊断提供新思路。

　　纳米技术为疾病诊断提供了极具前景的工具，尤其是通过研究纳米颗粒（NPs）在生物液体中形成的独特生物分子冠（BC）特性。BC是指纳米颗粒表面吸附的动态生物分子层，这些分子在纳米颗粒暴露于生物环境时形成，能够为个体提供特定的生物标记物信息。本研究中，我们利用一维凝胶电泳技术，对多种表面功能化的聚苯乙烯和二氧化硅纳米颗粒的BC进行了分析，以区分八种类型的癌症（乳腺癌、卵巢癌、肾癌、肺癌、结直肠癌、膀胱癌、子宫癌和甲状腺癌）。该方法具有快速、成本低廉、仅需少量血液样本等优势，如果在更广泛的患者群体中验证其有效性，有望成为癌症诊断的一线工具，为后续侵入性检查或术后监测提供指导。

BC的形成不仅受到纳米颗粒的物理化学性质（如材料类型、形状、尺寸和表面修饰）的影响，还与生物环境（如健康或患病个体的血浆）密切相关。这一特性使得BC在疾病诊断中具有独特潜力，尤其是对于癌症等复杂疾病。研究表明，BC的组成可以反映出疾病状态，例如在阿尔茨海默病、败血症、冠心病、乳腺癌、前列腺癌、肺癌、胰腺癌和黑色素瘤等疾病的检测中，BC已被广泛用于识别生物标志物和分子模式。然而，目前大多数BC分析依赖于高成本的质谱技术，这限制了其在临床中的广泛应用。因此，本研究探索了一种无需质谱的分析方法，即利用一维凝胶电泳技术对BC进行半定量分析，以评估其在癌症诊断中的潜力。

本研究中，我们使用了六种不同类型的纳米颗粒，包括三种二氧化硅纳米颗粒（未修饰、氨基修饰和羧基修饰）和三种聚苯乙烯纳米颗粒（未修饰、氨基修饰和羧基修饰）。每种纳米颗粒均被暴露于八种不同癌症类型（每种癌症各五名患者，共计40人）以及三名健康对照者的血浆样本中，最终形成了258个BC样本。通过一维SDS-PAGE分析这些BC样本，并结合图像处理软件进行半定量分析，我们能够识别出与健康个体不同的蛋白带分布模式。研究结果表明，BC的蛋白分布模式在不同癌症类型之间存在显著差异，特别是卵巢癌和肾癌，而氨基修饰的纳米颗粒在癌症诊断中表现出更强的区分能力。

进一步的统计分析显示，基于二氧化硅纳米颗粒的BC在区分健康与癌症样本方面表现优于聚苯乙烯纳米颗粒。例如，二氧化硅纳米颗粒（Si）在肾癌和卵巢癌的诊断中达到了100%的AUC值，而聚苯乙烯纳米颗粒（Poly）的AUC值较低，仅达到55%至64%之间。这表明，纳米颗粒的表面修饰对BC的形成和诊断能力具有重要影响。此外，不同分子量范围的蛋白带分布模式也对癌症的识别提供了重要信息。例如，在小于25 kDa的低分子量蛋白区域，BC的蛋白分布模式显示出显著的差异，而25–75 kDa的中间分子量蛋白区域则能提供更丰富的癌症相关标记物信息。

通过这种多颗粒系统的BC分析，我们不仅能够识别健康个体与癌症患者的差异，还能区分不同类型的癌症。这为个性化医疗决策提供了重要的数据支持，例如在手术后的患者监测或治疗过程中，能够更精准地评估病情变化。此外，研究还发现，某些纳米颗粒的BC在特定癌症类型中表现出高度特异性，如Si-NH?纳米颗粒在肺癌、肾癌和卵巢癌的区分中表现出显著的性能提升。这些结果不仅展示了BC在癌症诊断中的潜力，也为未来开发基于BC的诊断工具提供了理论依据和技术路径。

研究结果还表明，BC的组成和结构在不同癌症类型中表现出一定的规律性。例如，某些蛋白质在特定癌症患者的血浆中表现出更高的吸附率，这可能与肿瘤微环境中的生物分子变化有关。同时，研究还发现，纳米颗粒的表面化学性质对BC的形成具有显著影响，例如二氧化硅纳米颗粒因其较高的亲水性和表面硅醇基团，能够更有效地吸附与疾病状态相关的特定蛋白。相比之下，聚苯乙烯纳米颗粒由于其疏水性，更倾向于吸附高丰度的蛋白质，这可能会掩盖一些癌症相关的低丰度蛋白信号。

本研究的创新之处在于采用了一种多纳米颗粒分析策略，通过比较不同纳米颗粒的BC特征，实现了对癌症的多维度识别。这一方法不仅降低了BC分析的成本，还提高了其在临床应用中的可行性。此外，研究还揭示了纳米颗粒表面修饰对BC形成的调控作用，为未来优化纳米诊断平台提供了方向。例如，氨基修饰的纳米颗粒在癌症识别中表现出更强的灵敏度和特异性，这可能与其表面电荷特性有关，能够促进与低丰度蛋白的特异性结合。

本研究的结论表明，BC分析是一种具有广阔前景的癌症诊断方法。通过利用不同纳米颗粒的BC特征，可以构建出更加丰富的蛋白签名数据库，从而提高癌症诊断的准确性和可靠性。此外，研究还强调了BC在个性化医疗中的应用潜力，即通过分析不同患者的BC特征，可以识别出特定的癌症相关蛋白模式，为疾病的早期筛查和治疗决策提供依据。未来，随着样本数量的增加和机器学习技术的引入，这种基于BC的诊断方法有望进一步优化，成为癌症诊断的重要工具之一。

总体而言，本研究通过系统分析不同纳米颗粒在健康和癌症血浆中的BC特征，揭示了BC在癌症诊断中的重要价值。研究结果不仅为纳米技术在医学领域的应用提供了新的思路，也为开发低成本、高效的癌症诊断方法奠定了基础。随着相关技术的不断发展和优化，BC分析有望成为癌症诊断和治疗监测的重要手段，为临床实践带来新的突破。