对掺银（Ag）的CaO纳米颗粒与牛血清白蛋白（BSA）之间结合机制的光谱学研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Spectroscopic probing of the binding mechanism between ag-doped CaO nanoparticles and bovine serum albumin

　　马鲁蒂·塔拉瓦拉（Maruthi Thalavara）| 阿卡什·R·巴里卡尔（Akash R. Barikar）| 穆塔纳高德·N·卡拉萨德（Muttanagoud N. Kalasad）| T.M. 维雷莎（T.M. Veeresha）| 阿伦库马尔·T·布丹纳瓦尔（Arunkumar T. Buddanavar）| 曼朱纳塔·D·哈达加利（Manjunatha D. Hadagali） 印度卡纳塔克邦达万杰雷（Davangere）577 007，希瓦甘戈特里（Shivagangotri）达万杰雷大学化学研究系 **摘要** 吸附或共价结合到蛋白质上的纳米颗粒（NPs）在生物应用中至关重要。纳米技术为新型产品的设计和开发提供了巨大潜力，特别是在医学领域，可用于疾病的早期检测、治疗和预防。本研究通过自燃过程合成了掺银的氧化钙纳米颗粒（Ag-CaO NPs），并使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线粉末衍射（PXRD）和能量色散X射线光谱（EDX）技术对其进行了表征。根据PXRD结果，Ag-CaO NPs的平均粒径为20.64 ± 2.50 nm。通过荧光光谱、圆二色性（CD）、紫外-可见光谱和傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究了制备的Ag-CaO NPs与模型蛋白牛血清白蛋白（BSA）之间的相互作用。研究结果表明，这些相互作用显著受到Ag-CaO NPs的影响。利用荧光光谱验证了NPs对BSA荧光发射的动态和静态淬灭效应。结合的配体与BSA中的色氨酸残基之间的距离小于7 nm。BSA与Ag-CaO NP之间的结合常数为K = 3.50 × 103 L/mol。此外，我们还研究了存在Ag-CaO NPs时BSA的热稳定性。根据热力学参数，BSA会自发吸附到Ag-CaO NPs上，这一过程涉及疏水作用和氢键作用。FTIR和CD数据表明，合成的NPs对BSA的二级结构有明显影响。当BSA与NPs结合时，其α-螺旋度从自由状态的56.82 ± 0.8%降至结合状态的44.57 ± 0.8%。这些发现表明，Ag-CaO NPs的固有形态对其蛋白质冠层的形成及其聚集行为有显著影响。 **引言** 许多科学和技术领域都应用了纳米技术，当前的研究重点是基于纳米颗粒的材料及其用途。由于大多数生物分子的尺寸与纳米颗粒相当，因此它们可以用于体外和体内的生物医学研究与应用。纳米颗粒在药物递送[1]、恶性肿瘤治疗[2]、作为细菌替代物以及预防细菌引起的感染[3]等方面具有潜在应用。除了独特的特性外，纳米金属氧化物颗粒（如TiO2、CaO、AgO、MgO、ZnO和CuO）还具有安全性、稳定性和多功能性。这些纳米颗粒在食品、环境和医疗保健领域有广泛应用，并以其天然的抗菌活性而闻名[4]。氧化钙纳米颗粒（CaO NPs）就是其中之一，具有出色的抗菌能力和降解微生物内毒素的能力[5]。CaO NPs独特的结构和光学特性使其适合作为光热疗法、光动力治疗和化疗药物递送的载体[6][7]，对人类和动物都是安全的。 银纳米颗粒（AgNPs）因其生物相容性、出色的稳定性、小尺度效应、光学特性和抗菌活性而受到广泛关注[8]。AgNPs在化学催化、生物医学、环境监测和生物传感等领域得到广泛应用[9]。研究AgNPs与蛋白质的相互作用非常重要，因为它们在生物医学研究中经常被使用。这有助于更好地理解AgNPs的生物学效应，并确保其在生物医学中的安全使用[10]。AgNPs在进入生物系统后会在多个层面上与蛋白质相互作用。在生物系统中，AgNP-蛋白质复合物而非单独的AgNPs决定了最终的生物反应[11][12][13]。因此，研究AgNPs与蛋白质之间的相互作用可以为开发用于生物应用的纳米材料提供关键见解[14]。 AgNPs具有潜在的毒性、氧化作用、炎症细胞反应以及对多种病原体的强抗菌作用[15][16]，因此其使用受到严格审查。然而，CaO NPs因其较低的毒性、高碱性和组织相容性[15]以及作为药物递送剂、吸附剂、催化剂和抗菌剂的潜力而受到关注[17]。过去十年中，纳米技术引起了广泛关注，并显著推动了多个科学和技术领域的发展[18]。纳米技术在医学领域有多种应用，包括抗菌开发[19]、生物成像[20]和癌症治疗[21]。目前已有几种获得FDA批准的纳米颗粒可用于临床[22][23][24]。多项研究表明，用不同的金属阳离子掺杂金属氧化物可以提高其抗菌活性[25][26]。虽然CaO NPs本身是功能性生物材料，但掺银后，它们从一个简单的结构调节剂转变为多功能智能平台。添加银的原因包括：(i) CaO NPs呈离子态，通常通过静电作用与BSA的羧基结合；(ii) Ag+离子对BSA中的巯基（-SH）和氨基（-NH2）具有高亲和力；(iii) CaO主要与蛋白质表面相互作用，而掺银使纳米颗粒能够嵌入蛋白质的更深层次的疏水区域；(iv) 在生物缓冲液中，CaO NPs容易快速溶解或转化为碳酸钙（CaCO3）；(v) 掺银后，颗粒尺寸更小且更均匀。因此，选择掺银的CaO NPs（Ag-CaO NPs）进行相互作用研究。 在纳米医学中，将Ag-CaO NPs与BSA混合是一个关键步骤，因为它决定了药物递送系统与生物环境的相互作用。当这些纳米颗粒进入血液时，会立即被蛋白质包裹，形成蛋白质冠层。纯金属氧化物纳米颗粒通常具有较高的表面能，导致其在生理液体中聚集。BSA起到封盖剂和稳定剂的作用，延长了Ag和Ca离子在体内的半衰期。通过与BSA结合，Ag-CaO NPs可以更有效地被输送到作用部位，因为许多病变组织对白蛋白的吸收增加[27][28]。此外，纯AgNPs具有高反应性，可能会损害健康细胞。将Ag-CaO NPs与BSA混合可以掩盖CaO NPs的反应性表面。