前言

2022年11月Ferdosi Shadi發表了題為“Enhanced Competition at the Nano-Bio Interface Enables Comprehensive Characterization of Protein Corona Dynamics and Deep Coverage of Proteomes”的研究成果，作者將工程化納米顆粒（nanoparticles，NPs）引入到血液等生物流體中，在蛋白質-NP親和力和蛋白質豐度之間的關系驅動下，在顆粒-蛋白質界面形成選擇性和可重復的蛋白質冠。這使得利用蛋白質-納米相互作用的可擴展系統能夠克服目前深度血漿蛋白質組學在大型隊列中的局限性。

 基本信息  中文標題：納米生物的強化競爭使蛋白質電暈動態的全面表征和蛋白質組的深度覆蓋成為可能研究對象：血漿發表期刊：Advanced materials影響因子：32.086發表時間：2022年8月20日發表單位：哈佛醫學院運用生物技術：蛋白組研究背景   血漿是評估人類健康和疾病狀態的理想生物樣本，因為它與幾乎所有的組織相連，可以縱向獲取且侵入性最小。然而，血漿蛋白質組的動態范圍很廣，橫跨10個數量級，有數百萬種獨特的蛋白質形態，這給標準的蛋白質組學方法帶來了挑戰，阻礙了蛋白質組學深度研究的大規模應用。為了打破這一限制，本文開發了一種采用蛋白質-納米相互作用的可擴展技術，在血漿分析的深度和廣度方面提供了卓越的性能，并揭示了用于生物標志物發現的新疾病特征。

研究思路

研究結果

1.納米顆粒工程與蛋白質電暈研究

為了研究納米生物的相互作用和NP電暈的形成動力學，作者設計、表征和比較了不同的NP，并進行了自動化的高通量深度蛋白質組分析工作流程（圖1A）。為了表征這些NPs的理化性質，并確保成功合成圖1B-D所示的所有5種目標SPIONs，進行了振動樣品磁力測量（VSM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線光電子能譜（XPS）、動態光散射（DLS）和ZETA電位測量，結果表明本研究中使用的NPs的具有獨特特征。

 

圖1 | NP蛋白質組學工作流程和表征

2.調控納米生物的相互作用

為了研究蛋白冠組成、NPs的理化性質、可利用的結合表面和蛋白結合競爭之間的關系，作者定量剖析了在不同血漿-NP（P/NP）比率下形成的蛋白冠（圖2A）。在這個實驗中，使用Proteograph Product Suite對蛋白質冠狀結構進行了全自動分離和處理。

 

通過捕獲離子遷移的LC-MS/MS管道（timsTOF-Pro）對肽段進行鑒定和定量，并使用DIA-NN在蛋白質和肽段的水平上應用1%[xss_clean_space]FDR截斷值對原始數據進行處理，最終在所研究的5個NPs中產生2081個蛋白質和14194個肽段（1918個蛋白和12747肽段分別在至少一個測試條件的所有重復中被一致識別）。

圖2 | Vroman效應和NP蛋白質組學性能

 

3.復雜生物樣品中納米生物相互作用的定量解析

為了測試蛋白質識別性能的提高是否能轉化為對臨床相關蛋白質的更好檢測，作者調查了生物途徑的覆蓋率，結果證明隨著P/NP比率的增加，細胞因子/化學因子和激素信號蛋白在面板水平上的覆蓋率有所提高（跨越所有5種NPs，圖3）。

 

為了估計用NPs對低豐度血漿蛋白質組進行可重復和大規模訪問的效用，作者從豐度高的500個蛋白質(圖3D)中的生物標志物頻率外推預測生物標志物發現潛力。

 

從這個分析中，估計在接下來的1500個低豐度蛋白中可以發現大約200個額外的蛋白生物標志物，這比迄今為止在這個數據集中注釋的生物標志物的數量多了一倍以上。

 

4. NP-電暈動力學建模

為了深入了解電暈形成的動態，作者擴大了NP-C、NP-D和NP-E顆粒的NP電暈分析，并增加了每個P/NP比例的蛋白質電暈形成時間過程數據（10分鐘、30分鐘、1、2、17小時，圖4A），測量了534個樣品中3184個單獨蛋白質組的強度，并使用UMAP方法來概述每個條件下電暈蛋白強度分布的差異和相似性（圖4B），結果證實了Proteograph工作流程的可重復性和在所有探測的實驗條件下蛋白質電暈形成的精確度。

 

通過使用UMAP系統地比較所有蛋白質的強度譜，不同NPs的強度圖譜所占據的UMAP區域大體上是重疊的，這表明雖然NPs與特定蛋白質具有結合特異性，但它們在整個蛋白質組的相互作用的動態是由共同的機制決定的。

 

總的來說，在指定的檢測條件下，NP電暈的定量重現性非常高，除了NP功能化外，在P/NP和孵化時間方面也有廣泛的調整機會。

圖4 | P/NP比例和NP孵化時間的調制對蛋白質電暈的影響

 

研究結論

當暴露在生物基質中時，工程化的納米顆粒形成高度可重復的蛋白質冠，可用于高動態范圍蛋白質組的深度和定量研究以及廣泛的醫學應用。所形成的納米生物復合物的理化性質和生物活性是NP表面設計的函數，正如文章顯示的那樣，在很大程度上取決于生物樣本相對于結合表面積的分子組成和濃度。

 

由于納米粒在體內應用的濃度機制與本研究中考察的條件相似，因此除了納米粒的功能化外，納米粒的給藥方式、患者的蛋白質組組成和循環時間也會影響納米粒的冠層組成、藥代動力學和動力學。

 

因此，納米工程，基于全面無偏質譜的電暈成分動力學讀出和機器學習的獨特結合提供了：1、通向深度和可擴展的血漿蛋白質組學的門戶；2、更好地預測體內電暈形成和生物分布的新策略。

 

  小鹿推薦

本研究通過不同類型的功能化NPs相對于復雜生物樣品的特定結合表面積，以及在蛋白質冠層形成的時間過程研究中，詢問蛋白質的結合和蛋白質冠層的組成。

證明了通過限制NP的表面積來調整Vroman效應，可以顯著改變電暈組成并增強下游蛋白質組學分析性能，與傳統的血漿蛋白質組學工作流程相比，單個NP的血漿蛋白質組覆蓋率提高了3倍。
 

鹿明生物Deep高深度血液蛋白質組

鹿明生物基于納米顆粒對血液樣本中低豐度蛋白進行富集，采用全新一代4D tims TOF Pro2結合DIA- PASEF質譜掃描模式對血液中低豐度蛋白進行無遺漏的全景式掃描采集，全面提升中低豐度蛋白的檢出率，實現血液樣本2000+的高深度檢測。基于最權威的SwissProt reviewed非冗余數據庫+Spectronaut Pulsar 16分析軟件進行搜庫定性定量分析獲得高質量的定性定量結果，部分測試數據如下：

血清高豐度去除與低豐度富集處理蛋白鑒定數對比
 

另外，納米顆粒吸附不同于免疫親和法，對一些沒有商業化試劑盒無法有效進行高豐度去除的物種樣本也表現出良好的處理效果，可以擺脫去除高豐度蛋白試劑盒對物種的限制，以下為部分項目經驗展示（如下圖）。