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国家纳米科学中心:高兴发课题组提出纳米材料医学功能预测的理论模型

编译者:冯瑞华发布时间:Nov 27, 2023点击量:1263 来源栏目:成员单位动态

国家纳米科学中心高兴发研究员和赵宇亮院士团队,通过多年的基础理论研究与迭代,在纳米生物效应的理论研究领域取得了系统的突破性进展。相关研究成果应邀在Accounts of Chemical Research上以“实现纳米材料医学功能筛选的催化信号转导理论(Catalytic Signal Transduction Theory Enabled Virtual Screening of Nanomaterials for Medical Functions)”为题,于2023年8月17日在线发表。高兴发研究员为通讯作者。

在经典药学教科书中,无机材料成药性低,一直是公开问题。然而,无机纳米材料,由于可以在细胞内催化活性氧物种发生不同化学反应,赋予了其多种难得的生物医学功能,近年被广泛用于抗肿瘤、抗菌和抗氧化等无机纳米药物的创新研发。无机材料有几大显著特点,如化学组成丰富,晶体结构丰富,具有可调的光电磁性能,可进行丰富的化学修饰,因此有望克服传统小分子药物靶向性低、功能单一等缺点。因此,相关研究已成为了化学、材料、药学和医学等多学科交叉的前沿。然而,由于纳米颗粒的精确结构表征困难,细胞内动态反应机制缺乏有效实验观测手段等因素导致了微观机制和构效关系的研究极其困难。因此,建立有效的理论模型,实现纳米材料的医学功能的理论预测,便成为理论创新研究工作的巨大挑战。

针对上述挑战,高兴发课题组经过多年的研究,提出了“催化信号转导理论”,在无机纳米材料细胞内催化性质和医学功能之间的关系建立了创新的理论模型,无机纳米材料抗肿瘤功能的理论预测结果得到了实验研究的验证。主要成果包括:(1)运用第一性原理计算与理论分析方法,揭示了纳米材料通过异相催化驱动活性氧转化,调控细胞氧化还原水平从而诱导肿瘤细胞死亡的固液异相催化机制,打破了领域内沿用酶和离子催化机制解释细胞内纳米生物催化现象的瓶颈;(2)突破经典拟合公式无法前瞻性预测的局限性,建立了基于上述催化机制,以无机纳米材料内禀理化性质为参量,定量描述其催化活性氧转化的动力学方程和预测模型体系;(3)提出了催化信号转导理论,确立了无机纳米材料催化性质与抗肿瘤功能间的机制联系与定量关系,并将催化理论模型与机器学习结合,为无机纳米材料抗肿瘤功能的计算机辅助设计与高通量筛选提供了创新的新策略。

图. 实现纳米材料抗肿瘤功能筛选的催化信号转导理论

体外化学反应和生命活动的底层逻辑不同,体外化学反应遵循分子热运动的统计规律,而原初生命活动则是通过信号转导存储、放大、表达及繁殖基因信息等原理。该研究提出的“催化信号转导理论”有机融合了化学反应和生命过程的原理,不仅能描述无机纳米材料催化反应导致的抗肿瘤医学功能,也能进一步将纳米尺度下的信号转导理论发展成为描述和预测纳米材料生物学效应(例如免疫效应、毒理学效应等)的通用理论模型。该工作得到了国家自然科学基金和国家纳米科学中心等项目的资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.3c00339

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