2025年中國分析測試科學獎一等獎：納米材料-生物大分子相互作用與生物學效應分析的新方法
完成單位：中國科學院生態環境研究中心；首都師范大學；西南大學
完成人：宋楊，宋爾群，陶曉奇，孫航，劉旭挺，魏薇
成果簡介：該項目屬于生物分析化學基礎研究領域，針對納米材料生物學效應中的復雜性，建立了納米材料與生物大分子相互作用及納米材料生物學效應分析的新方法。成果如下：（1）針對生物基質嚴重干擾納米探針精準檢測復雜樣本中靶標的問題，構建了具有抗生物基質污染性能的新型納米傳感器，發展了基于上述傳感器和數字矯正方程的復雜樣本中靶標物準確定量分析方法。（2）針對環境中納米材料與機體中生物大分子相互作用影響毒性評價的需求，發展了體內納米材料的定性和定量新方法，解析了環境納米材料與蛋白質生物效應的新機制，引領了環境納米材料毒性評估方法學發展。這些研究拓展了以納米探針為模板發展精密傳感器的新策略，為評估環境納米材料的毒性機制和制定防治措施提供了新方法。相關成果在Nat Nanotech、PNAS、Nat Commun、Environ Sci Technol、ACS Nano和 Anal Chem等期刊發表SCI論文200余篇。第一完成人入選中科院百人計劃并通過擇優支持，獲國家自然科學基金委優秀青年基金和教育部新世紀優秀人才支持計劃。獲ISPTS青年科學家獎、中國毒理學會優秀青年科技獎和中國科學院青年聯合會“尋找青年科學之星”。第二完成人入選教育部國家級青年人才，重慶市科學技術帶頭人，重慶市杰出青年基金，重慶市創新青年科技人才培養計劃，重慶市高校創新研究群體負責人。獲中國青年報社、中國科學技術傳播中心“強國青年科學家”提名獎。
創新點及科學價值：該項目屬于生物分析化學基礎研究領域，針對納米材料生物學效應中的復雜性，項目團隊建立了納米材料與生物大分子相互作用及納米材料生物學效應分析的新方法，形成了如下創新性成果：（1）針對生物基質嚴重干擾納米探針精準檢測復雜樣本中靶標的問題，構建了具有抗生物基質污染性能的新型納米傳感器，發展了基于上述傳感器和數字矯正方程的復雜樣本中靶標物準確定量分析方法。（2）針對環境中納米材料與機體中生物大分子相互作用影響毒性評價的需求，發展了體內納米材料的定性和定量新方法，解析了環境納米材料與蛋白質生物效應的新機制，引領了環境納米材料毒性評估方法學發展。
創新點1、基于具有抗生物大分子污染性能納米探針和數字矯正方程策略的復雜生化樣本分析
研究內容：復雜生化樣本（如血液）中痕量目標組分的定性和定量分析非常重要。但生物基質（如蛋白質）和納米探針相互作用形成動態生物分子層（如蛋白冠），顯著改變納米探針的物理化學性質和生物行為，從而干擾信號檢測，使得檢測結果通常呈現負偏差。為實現復雜樣本中痕量目標組分的有效分析，項目團隊發展了基于具有抗污性能納米探針和數字矯正的分析方法，實現復雜樣本中痕量目標組分的有效分析。研究表明，蛋白等生物基質在納米探針表面形成蛋白冠后，會引起檢測信號丟失進而使得對靶標物檢測限（LOD）增高、分析的靈敏毒降低（見圖1左圖）。生理濃度下的蛋白質基質可以引起最高信號損失率為83%，LOD增加1個數量級，且生物基質吸附量與LOD呈非線性的復雜變化模式。
為了解決生物基質對檢測的影響，項目團隊采取主動排斥策略，利用巰基單/雙鏈DNA修飾和“納米耀斑”技術，構建了增強型NPs-Aptamer分子信標，較好地減低了背景信號達到了抗污目的（見圖1右圖）；同時優化了納米探針各組成部分比例，通過結合常數/結合位點和傳感器熒光信號開發了數字矯正方程，使得LOD降低了多少3倍，實現了對富蛋白質樣本中靶標物的靈敏檢測和準確定量。
圖1. 生物基質對納米探針的干擾（左）及解決策略（右）
創新點：盡管生物基質對納米探針的干擾被廣泛認可，但針生物基干擾的程度卻缺乏相關的量化研究和有效解決措施，項目團隊針對這一問題展開了系統的研究，量化了蛋白質污染對檢測信號干擾程度及對檢測結果的影響程度，并提出了采用抗污納米傳感器和數字矯正方程多種解決方案。
科學價值：該項目成果發展的基于干擾矯正能力的納米探針和數字方程矯正策略的分析方法，實現了蛋白質基質干擾下痕量待檢物質的準確定量，有望為疾病早期診斷、環境質量評估和污染治理、食品安全等領域建立檢測標準。
同行引用和客觀評價：項目團隊的研究量化了蛋白質基質引起的信號損失率，這一創新性的研究結果被國內外同行廣泛評價或引用。例如，Wang等認為項目團隊的工作為蛋白冠影響納米酶活性的研究奠定了基礎（J Am Chem Soc，2024，146，10478-10488）。Yao等在文章中大段引用了項目團隊的結果（…At a protein concentration of 10 μM, the final Raman signal for melamine decreased by 64% (α-La), 38% (β-Lg), and 57% (BSA), respectively. Similar conclusions were drawn using three fluorescence sensors based on AuNPs, where the AuNP?DCF sensors detected AMB…, Anal Chem, 2024, 96, 19768-19777）。Ramanathan等在綜述文章中強調了項目團隊的結論，認為蛋白冠的存在對納米探針的檢測和診斷可能帶來錯誤結果（Trac-Trend Anal Chem, 2025, 183, 118100）。
創新點2、環境納米材料體內檢測的新方法和毒性效應評價應用
研究內容：環境中的納米材料可以通過多種途徑進入機體，穿過生理屏障進入血液循環并到達遠端組織。由于納米材料在體內的轉運行為多樣化，在活體水平準確定性定量納米材料，對其毒性效應的評估至關重要。項目團隊通過微觀、宏觀、原位等多檢測技術聯合分析方式，量化納米材料跨越體內屏障的占比和跨越模式，發現了其通過“外泌體介導”或“細胞旁通路”等方式跨越血腦、內皮、腸道等生理屏障新途徑（見圖2左圖）。這部分研究對納米材料的毒性評估具有深遠意義。基于前述研究方法，探究了納米材料通過促進體內特定蛋白液-液相分離和異常聚集應發的與神經退行性疾病的發病率和死亡率相關顯著機體毒性效應（見圖2右圖）。
圖2. 納米材料的跨屏障穿越（左）與神經毒性效應的分子機制（右）
創新點：發展了量化納米材料體內轉運的新方法，發現了納米材料體內轉運的新途徑，進一步揭示了納米材料導致神經退行性疾病的新機制。
科學價值：目前大多數研究集中在描述納米材料對直接暴露的細胞或組織所產生的效應。但是，納米材料如何穿越各種生理屏障，到達非直接暴露的遠端組織或二級組織，造成遠端毒性效應和系統性損傷卻不清楚。因此，項目團隊發現了納米材料在細胞和組織中遷移的新規律，提出了納米材料通過“破壞屏障-遷移”促進遠端毒性的研究思路，為厘清納米材料的毒性效應評價打下堅實基礎。
同行引用和客觀評價：項目團隊在納米材料體內轉運分析及相應生物毒性機制分析領域開展了原創性和前瞻性的研究工作，在相關領域具有較好的影響力，受到國內外同行的廣泛關注和認可。例如，Xing等引用了我們關于“納米塑料細胞旁路運輸”的多篇論文用于支持他們關于“納米塑料在水蚤體內遷移”的相關發現(…PS nanoplastics (21 nm) were observed to disrupt cell-cell junction of the endothelial barrier by interacting with cadherin junctions, thus inducing endothelial leakiness, ACS Nano, 2023, 17, 13488-13499)。該成果被 Nature旗下專業媒體Research Communities以“Behind the Paper”為題進行了專題報道(https://communities.springernature.com/posts/particle-contaminants-as-potential-disruptors-of-biomolecular-condensates)。
綜上，本項目成果在發展相關分析方法基礎研究領域和應用領域都取得了突破性的研究成果，獲得了國內外同行的高度評價并對相關領域的研究起到了引領性的作用。相關成果在Nat Nanotech、PNAS、Nat Commun、Environ Sci Technol ACS Nano和Anal Chem等期刊發表SCI論文200余篇。項目第一完成人入選中科院百人計劃并通過擇優支持(2021年)，獲國家自然科學基金委優秀青年基金(2016年)和教育部新世紀優秀人才支持計劃(2009年)。獲18th International Symposium on Persistent Toxic Substances and Health青年科學家獎(2024年)、中國毒理學會優秀青年科技獎(2020年)和中國科學院青年聯合會“尋找青年科學之星” (2012年)。擔任中國環境誘變劑學會活性氧生物學效應專業委員會青年主任委員、中國毒理學會表觀遺傳專業委員會常務委員、中國環境誘變劑學會環境表觀遺傳專業委員會常務委員、中國毒理學會青年委員會委員和中國環境科學學會環境化學分會委員。擔任Environ & Health編委、Eco-Environment & Health編委、Chem Res Toxicol編委、J Environ Sci青年編委和《環境化學》青年編委。項目第二完成人入選教育部國家級青年人才（2019年），重慶市科學技術帶頭人（2024年），重慶市杰出青年基金獲得者(2021年)，重慶市創新青年科技人才培養計劃(2014年)。獲中國青年報社、中國科學技術傳播中心“強國青年科學家”提名獎(2021年)。擔任“重大疾病診療精準成像分析”重慶市高校創新研究群體負責人(2021年)。擔任《Chinese Chemical Letters》編委、《分析測試學報》、Journal of Analysis and Testing青年編委。以上成果應邀在國際國內學術會議上做大會報告plenary lecture和特邀報告keynote lecture 共計50余次。
