利用納米顆粒推進蛋白質組學研究
蛋白質組學中最常用的分析技術之一是質譜（MS）。納米顆粒（NPs）在蛋白質組分析中的應用使得靶向和非靶向蛋白質組分析成為可能。
什么是蛋白質組學分析？
蛋白質組學涉及研究蛋白質組的組成及其在生物體中的功能。蛋白質在細胞活動中起著最重要的作用，被視為精準醫學中的關鍵大分子。
基于MS的蛋白質組學在其敏感性、準確性、自動化和吞吐量方面的進展顯著促進了許多疾病的新生物標志物的發現。此外，蛋白質組學分析揭示了許多疾病的潛在分子機制。
在使用靶向蛋白質組學對蛋白質表達進行整體表征的過程中，特別是在檢查蛋白質組的空間和時間組織方面，出現了一些挑戰。由于蛋白質組的動態性質和多樣的復雜性，很難對其進行分析。此外，蛋白質豐度的異質性取決于條件，并受到翻譯后修飾（PTM）的影響。
納米材料在蛋白質組學研究中的應用
納米顆粒（NP）是尺寸在1至100納米范圍內的極小顆粒。NPs的一些獨特特性，如良好的生物相容性、大的比表面積、豐富的活性親和位點和超小的尺寸，使其適合于蛋白質組學應用。特別是磁性納米顆粒具有快速分離富集的特性，便于自動化。
為了降低樣品復雜性并實現深度蛋白質組覆蓋，在MS分析之前對樣品進行預處理是很重要的。在分析之前，必須從復雜的混合物中分離出感興趣的蛋白質。例如，磁性納米復合材料已被有效地應用于蛋白質純化，這顯著縮短了處理時間。介孔納米顆粒也用于基于尺寸的分離和膜蛋白質組學。
基于抗生素的富集方法用于確定蛋白質乙酰化，其在調節染色質可及性、基因轉錄蛋白定位和酶活性方面起著至關重要的作用。這種方法大大增加了檢測低濃度可用的重要蛋白質的機會。
在全球蛋白質組分析過程中，納米粒子可以選擇性或非選擇性地與蛋白質結合。例如，鐵和氧化鈦納米顆粒用于識別具有特定PTM（例如糖基化和磷酸化）的靶向蛋白質，而二氧化鈦納米棒用于非選擇性分析。
如上所述，兩種廣泛研究的PTM是磷酸化和糖基化。磷酸化調節細胞信號，并在導致激酶信號網絡不規則的疾病中發揮關鍵作用。由于化學計量比低，磷酸化的蛋白質組學分析并非易事。
兩種廣泛使用的技術，金屬氧化物親和色譜法（MOAC）和固定化金屬離子親和色譜（IMAC），用于磷蛋白組學研究，與磁性納米顆粒有關。IMAC技術使用各種金屬納米顆粒，包括鋁、鐵、鈦和鎵。
糖基化是另一種結構復雜的蛋白質修飾過程。基于連接位點，蛋白質糖基化分為兩種類型，即N-糖基化和O-糖基化。大量研究表明，癌細胞具有不同的糖基化特征。修飾的糖基化特征是癌癥的標志。
基于親和力和共價結合的富集方法都是利用納米材料的糖基化富集技術。基于親和力的方法處理凝集素在NPs表面的固定。在基于共價結合的方法中，糖肽通常通過含二醇糖蛋白/糖肽和硼酸之間的相互作用而富集。
半胱氨酸由于其高反應性和氧化還原敏感性而傾向于翻譯后修飾。半胱氨酸上的一些常見PTM是脂質衍生的親電4-羥基壬醛和氧化還原依賴的亞硝化（SNO）。已經開發了一種基于納米氟化石墨的新策略來研究SNO肽。
基于納米技術的非靶向蛋白質組分析
基于納米粒子的非特異性富集方法是傳統靶向蛋白質組分析的重要替代方法。
蛋白質電暈是一組蛋白質，當暴露于生物樣品時，它們瞬間非特異性地吸附在納米顆粒表面上。蛋白質電暈的形成改變了納米顆粒的物理化學性質。
蛋白質電暈不常用于重要生物標志物的發現。最近的蛋白質電暈圖譜顯示，它代表了血漿蛋白質組的一個子集。由于蛋白質電暈的組成根據納米粒子的性質而變化，科學家們認為，工程化的NP可以捕獲不同的蛋白質電暈模式，用于血漿蛋白質組分析。幾種類型的磁性納米顆粒可以進行深入的血漿蛋白質組分析。
循環腫瘤細胞（CTC）從原發性或轉移性腫瘤釋放到循環系統中。CTC的檢測為識別與各種癌癥及其分期相關的標志物提供了獨特的機會。非磁珠（例如二氧化鈦納米棒）用于檢查CTC。
NPs在血液蛋白質組學中的應用
血液是最常見的體液，它含有大量的分子，包括小分子、電解質、藥物和在臨床環境中常規檢測的蛋白質。基于MS的蛋白質組學極具挑戰性，可用于檢測新的血液生物標志物，而無需分餾、降解或富集。液相色譜MS/MS只能鑒定幾百種蛋白質。
納米顆粒已廣泛應用于血液蛋白質組學。一種經典的基于抗體固定的磁性納米材料的方法，即穩定同位素標準和抗肽抗體捕獲（SISCAPA），用于捕獲特定的血蛋白生物標志物。
靶向蛋白質組學方法的發展，如多反應監測（MRM），降低了肝細胞癌早期診斷中假陰性結果的概率。應用表面官能化的超順磁性氧化鐵（磁鐵礦）可以選擇性地富集心臟生物標志物肌鈣蛋白I（cTnI）。
NPs的市場發展情況
納米顆粒作為各類樣本前處理，用于蛋白組學分析的研究報告很多，但是真正實現商品化提供的產品較少。究其原因，一是納米粒子的成本相對較高，市場需求少，尚不能支持工業化大規模產城的開發；二是，實驗研究的少量合成所做出的應用結果，還需大量的重復實驗不斷驗證。可喜的是，隨著蛋白質組學成為診斷研究的越來越重要的工具，已有一些企業開發了磁性納米粒子用于蛋白質組前處理的試劑盒，如Bruker和PuriMag都已經開發了一些磁性介質，可以實現10ul級別樣本的富集。
未來展望
與傳統方法相比，基于納米顆粒的方法具有獨特的特性，如優越的生物相容性、大的比表面積、豐富的活性親和位點和獨特的表面性質，有利于蛋白質組學分析。由于大多數富集方法都是在體外進行的，未來需要發展體內富集技術。必須配備這項技術，以提供所考慮蛋白質的空間位置和功能信息。這些信息將有助于創建精準醫療。
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