[论文解读] Carbon Nanotubes as Intracellular Protein Transporters: Generality and Biological Functionality

Nadine Wong Shi Kam, Hongjie Dai|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2005

Graphene and Nanomaterials Applications被引用 10

一句话总结

本研究证明，经酸氧化处理的单壁碳纳米管（SWNTs）可通过非共价结合方式与多种蛋白质结合，并通过内吞作用高效地将它们转运进入哺乳动物细胞。一旦被内吞并从内体中释放，蛋白质-纳米管偶联物仍保持生物活性，如通过递送细胞色素c诱导细胞凋亡的功能实验证实。

ABSTRACT

Various proteins adsorb spontaneously on the sidewalls of acid-oxidized single-walled carbon nanotubes. This simple non-specific binding scheme can be used to afford non-covalent protein-nanotube conjugates. The proteins are found to be readily transported inside various mammalian cells with nanotubes acting as the transporter via the endocytosis pathway. Once released from the endosomes, the internalized protein-nanotube conjugates can enter into the cytoplasm of cells and perform biological functions, evidenced by apoptosis induction by transported cytochrome c. Carbon nanotubes represent a new class of molecular transporters potentially useful for future in-vitro and in-vivo protein delivery applications.

研究动机与目标

• 研究利用碳纳米管作为多种蛋白质的非共价细胞内转运载体的可行性。
• 确定蛋白质-纳米管偶联物是否可在不损失生物功能的情况下被哺乳动物细胞内化。
• 评估不同类型的蛋白质在酸氧化单壁碳纳米管上的吸附普遍性。
• 评估蛋白质在内体逃逸后的亚细胞定位及功能活性。
• 建立碳纳米管作为体外和体内蛋白质递送应用的新型平台。

提出的方法

• 通过酸氧化处理制备功能化的单壁碳纳米管（SWNTs），以增强其亲水性和表面电荷。
• 将蛋白质与SWNTs共孵育，以实现蛋白质在纳米管侧壁上的自发非共价吸附。
• 通过荧光标记蛋白质后使用荧光显微镜和流式细胞术确认细胞摄取。
• 使用药理学抑制剂和共聚焦显微镜追踪内体运输，验证内吞作用。
• 通过观察内化后蛋白质-纳米管复合物在细胞质中的定位，评估内体逃逸情况。
• 通过递送细胞色素c并检测诱导细胞凋亡的情况，测试其生物功能。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可将多种蛋白质非共价结合到酸氧化单壁碳纳米管上？
• RQ2 蛋白质-纳米管复合物是否可通过内吞途径高效被哺乳动物细胞内化？
• RQ3 蛋白质在内体释放后是否仍保持其生物活性？
• RQ4 蛋白质-纳米管偶联物在细胞摄取后的亚细胞命运如何？
• RQ5 该系统是否可实现如细胞色素c等生物活性蛋白质的功能性递送？

主要发现

• 多种蛋白质（包括细胞色素c）通过非共价作用自发吸附到酸氧化单壁碳纳米管的侧壁上。
• 蛋白质-纳米管偶联物可通过内吞途径被多种哺乳动物细胞系高效内化。
• 在内体逃逸后，蛋白质被释放到细胞质中并保持功能活性。
• 通过SWNTs递送细胞色素c可成功诱导处理细胞发生凋亡，证实其在递送后仍具有生物活性。
• 该系统具有普适性，多种蛋白质表现出相似的结合与转运行为。
• 该方法可实现高效、非共价且具有生物功能的蛋白质递送，且无需对蛋白质进行化学修饰。