FSHW | 牡蛎铁蛋白与金纳米星的可控偶联及其表征

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Introduction

近年来，金纳米颗粒（AuNS）因其独特的光学特性（如表面等离子体共振效应）和X射线衰减能力，在医学成像、靶向药物递送等领域展现出广阔前景。然而，AuNS易聚集的特性限制了其应用，因此需通过表面修饰提升其稳定性和生物相容性。铁蛋白（Ferritin）作为一种天然储铁蛋白，具有优异的热稳定性（耐受70 ℃）、酸碱耐受性（pH 2.0～12.0）和生物相容性，是理想的纳米材料修饰候选。本研究以牡蛎（Crassostrea gigas）铁蛋白（GF1）为研究对象，探索其与AuNS的耦合方法，并通过系统表征评估复合物（GF1@AuNS）的结构、稳定性及生物医学应用潜力。

Results and Discussion

AuNS的合成与筛选

一步合成法

通过调节氯金酸（HAuCl₄）、硝酸银（AgNO₃）和抗坏血酸的浓度，合成AuNS-1。透射电镜（TEM）显示其粒径分布不均（1.58～83.18 nm），尖端长度差异显著（10～60 nm），导致单分散性较差。

图1 一步合成法制备的AuNS-1的形态表征及分散性

金种子生长法

以柠檬酸钠还原HAuCl₄制备金种子，再通过调节种子量、HAuCl₄浓度和抗坏血酸用量，合成AuNS-2。紫外可见光谱显示其吸收峰红移至600 nm，表明成功形成星形结构。TEM和动态光散射（DLS）证实AuNS-2粒径均匀（约70 nm），尖端密度适中（约10个/颗粒），且单分散性优异，因此被选为后续实验的基底材料。

图2 金种子合成法制备的AuNS-2的筛选与表征

GF1与AuNS的耦合与表征

通过两种策略将GF1修饰至AuNS-2表面。直接耦合（非共价吸附）：将GF1溶液与AuNS-2在37 ℃下搅拌反应1 h，形成GF1@AuNS-1。TEM显示其粒径均一（约60 nm），表面覆盖层完整，无聚集现象。化学共价结合：以碳二亚胺（EDC）为交联剂，通过牛血清白蛋白（BSA）介导GF1与AuNS-2结合，但TEM显示产物中存在中间团聚体，粒径分布较宽，故选择直接偶联法进行后续研究。

紫外可见光谱结果表明AuNS-2的等离子体共振吸收峰（620 nm）在耦合后消失，溶液颜色由蓝绿色变为无色，表明GF1覆盖了AuNS-2的尖端结构。红外光谱显示GF1的酰胺I峰（1657 cm⁻¹）红移至1630 cm⁻¹，表明AuNS与蛋白的结合；AFM和SEM证实GF1@AuNS-1表面光滑，形成核壳结构。

图3 GF1与AuNS不同耦合方式的形态表征及分散性

图4 GF1、AuNS-2和GF1@AuNS-1的结构表征

微观形貌分析

AFM结果表明未修饰的AuNS-2呈球形（粒径约30 nm），而GF1@AuNS-1粒径增至60 nm，表面光滑，无聚集。SEM结果发现AuNS-2表面可见明显树枝状结构，而GF1@AuNS-1表面光滑，表明GF1形成核壳结构覆盖AuNS-2尖端。

图5 AuNS-2和GF1@AuNS-1的微观形态

生物相容性与稳定性评估

细胞毒性实验：在0～100 μmol/L浓度范围内，GF1@AuNS-1对正常细胞（HFF-1）和肿瘤细胞（B16F10）的存活率均高于80%，而裸AuNS-2在10 μmol/L时存活率骤降至20%，表明GF1修饰显著降低了AuNS的细胞毒性。

稳定性测试：GF1@AuNS-1在生理盐水（12～24 h）中紫外光谱未显著变化，而裸AuNS-2因尖端结构破坏出现聚集，证实GF1修饰提升了胶体稳定性。

X射线衰减性能

通过微计算机断层扫描（micro-CT）评估GF1@AuNS-1的成像能力。结果显示，其X射线衰减系数与浓度呈线性关系（R²＞0.99），且成像对比度高、亮度均匀，表明其可作为高效CT造影剂，克服传统碘造影剂肾毒性高、体内滞留时间短的缺陷。

图6 AuNS-2和GF1@AuNS-1的细胞毒性、稳定性和X射线衰减系数

Conclusion

本研究通过种子生长法成功合成单分散性AuNS-2，并通过直接偶联法制备了稳定的GF1@AuNS-1纳米材料。实验结果表明，GF1@AuNS-1具有均匀的核壳结构，GF1的覆盖显著提升了AuNS的稳定性和生物相容性，在生理环境中保持分散性，且对正常细胞无显著毒性。GF1@AuNS-1表现出优异的X射线衰减能力，其衰减值与浓度呈高度线性相关，为CT成像提供了新型造影剂候选。该纳米材料结合了铁蛋白的靶向性与AuNS的光学特性，在食品检测（如病原体快速识别）和肿瘤诊疗（如CT成像引导的药物递送）领域具有潜在应用价值。未来研究可进一步探索GF1@AuNS-1在体内的分布、代谢及靶向能力，优化其作为多功能纳米平台的性能。

Controlled coupling and characterization of oyster (Crassostrea gigas) ferritin with gold nanostars

Han Lia, Xiaoyu Xiaa, Shuzhen Chenga, Jiachen Zangb, Zhenyu Wanga, Xianbing Xua, Ming Dua,*

a School of Food Science and Technology, National Engineering Research Center of Seafood, Collaborative Innovation Center of Seafood Deep Processing, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China

b College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China

*Corresponding author.

Abstract

Ferritin has good thermal stability, resistance to certain acids and bases, and targeting, and has broad application prospects in the synthesis of gold nanostars (AuNS). In this study, we screened monodisperse AuNS with uniform particle size and morphology through a one-step synthesis method and coupled the synthesized AuNS with oyster ferritin (GF1). The results showed that the surface plasmon resonance (SPR) peaks of the coupled GF1@AuNS changed significantly, and the changes in infrared spectra and potential confirmed the success of the synthesis, while the microscopic morphology showed an increase in particle size and surface peak coverage. Furthermore, GF1@AuNS does not induce cell death in the 100 μmol/L range, is highly stable in physiological environments, and exhibits good X-ray attenuation in micro-computed tomography. Due to the unique functional activity of ferritin and AuNS, GF1@AuNS has potential applications in food detection and drug development in the future.

Reference:

LI H, XIA X Y, CHENG S Z, et al. Controlled coupling and characterization of oyster (Crassostrea gigas) ferritin with gold nanostars[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(6): 3202-3209. DOI:10.26599/FSHW.2023.9250007.

翻译：张庆芬（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：孙勇

封面图片：图虫创意

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