QCM-D解析姜黄素-肌原纤维蛋白核壳颗粒增强透明质酸吸附
2025-06-27 来源:本站 点击次数:45
用户成果｜南京农业大学王鹏团队Food Hydrocolloids：应用QCM-D与分子模拟解析姜黄素-肌原纤维蛋白核壳纳米颗粒增强透明质酸吸附机制
背景知识：姜黄素递送的“难”与“解”
姜黄素是姜黄中的天然多酚，具有抗炎、抗氧化等多重健康功效，却因水溶性差、易降解、生物利用度低，在食品和医药领域的应用受限。如何设计高效递送系统，成为科研界的热点。
蛋白-多糖核壳纳米颗粒被视为理想载体：蛋白（如肌原纤维蛋白，MP）提供疏水内核包裹姜黄素，多糖（如透明质酸，HA）形成亲水外壳，既能提升稳定性，又能通过多糖的生物相容性实现靶向递送。但关键问题在于：姜黄素如何改变蛋白构象，进而影响多糖的吸附效率？这一过程的分子机制是什么？近期南京农业大学王鹏团队以“Core–shell nanoparticle: curcumin-induced protein conformation changes enhance the adsorption of hyaluronic acid, as studied via spectroscopy, molecular dynamics simulation and energy dissipation“为题，在《Food Hydrocolloids》上发表了相关研究进展。
研究方法：多技术联用破解核壳组装密码
团队以肌原纤维蛋白为基质，通过pH-shifting法（碱性条件下蛋白展开呈熔融球状包裹姜黄素）制备MP-姜黄素纳米颗粒（PC），再通过自组装在PC表面包裹HA，形成核壳结构（PCH）。结合光谱技术（UV-Vis、荧光、圆二光谱、傅里叶红外光谱）、QSense耗散型石英晶体微天平（QCM-D）及分子动力学模拟（MD），从宏观到微观揭示组装机制：
1. 溶解度与稳定性双提升
PCH纳米颗粒的蛋白溶解度较PC颗粒提高。PCH在14天存储后沉淀较少，而PC因姜黄素诱导易发生疏水聚集。HA作为“壳”像“防护罩”，屏蔽姜黄素的疏水位点，使得姜黄素介导的PC纳米颗粒之间的聚集和沉淀显著降低。Turbiscan稳定性指数（TSI）显示，PCH稳定性较好。
2. 姜黄素包封效率突破
PCH的前四组包封率（EE）达80%以上。与PC纳米颗粒相比，PCH纳米颗粒的EE随着HA的掺入而增加。HA的加入不仅“锁住”更多姜黄素，还通过氢键增强姜黄素与蛋白的结合（结合常数Ka从6.76×10⁷升至8.63×10⁷），给姜黄素提供更疏水的微环境（UV-Vis红移证实）。
3. 构象变化驱动吸附增强
结论与展望：从机制到应用的“跨越”
本研究证实，MP与姜黄素结合后的构象发生改变（二级结构与三级结构），并增强了HA与MP-姜黄素的吸附和相互作用，形成的核壳结构（PCH）在蛋白溶解度、稳定性、包封率三方面表现优异。这一发现为设计高效姜黄素递送系统提供了新思路——通过“蛋白-多酚-多糖”协同作用，精准调控纳米颗粒的组装与功能。
基金支持
本研究获国家现代农业产业技术体系（CARS-41）、国家自然科学基金（32172243）等项目资助。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111645
背景知识：姜黄素递送的“难”与“解”
姜黄素是姜黄中的天然多酚，具有抗炎、抗氧化等多重健康功效，却因水溶性差、易降解、生物利用度低，在食品和医药领域的应用受限。如何设计高效递送系统，成为科研界的热点。
蛋白-多糖核壳纳米颗粒被视为理想载体：蛋白（如肌原纤维蛋白，MP）提供疏水内核包裹姜黄素，多糖（如透明质酸，HA）形成亲水外壳，既能提升稳定性，又能通过多糖的生物相容性实现靶向递送。但关键问题在于：姜黄素如何改变蛋白构象，进而影响多糖的吸附效率？这一过程的分子机制是什么？近期南京农业大学王鹏团队以“Core–shell nanoparticle: curcumin-induced protein conformation changes enhance the adsorption of hyaluronic acid, as studied via spectroscopy, molecular dynamics simulation and energy dissipation“为题，在《Food Hydrocolloids》上发表了相关研究进展。
研究方法：多技术联用破解核壳组装密码
团队以肌原纤维蛋白为基质，通过pH-shifting法（碱性条件下蛋白展开呈熔融球状包裹姜黄素）制备MP-姜黄素纳米颗粒（PC），再通过自组装在PC表面包裹HA，形成核壳结构（PCH）。结合光谱技术（UV-Vis、荧光、圆二光谱、傅里叶红外光谱）、QSense耗散型石英晶体微天平（QCM-D）及分子动力学模拟（MD），从宏观到微观揭示组装机制：
- QCM-D：实时监测具有不同蛋白结构的PC颗粒在HA表面的吸附过程，通过频率（Δf）和耗散（ΔD）变化量化吸附量与层结构；
- 光谱分析：追踪姜黄素与蛋白/多糖的相互作用（如荧光淬灭反映结合位点，CD反映蛋白二级结构变化）；
- 分子模拟：从原子尺度解析氢键作用的具体位点以及体系稳定性。
1. 溶解度与稳定性双提升
PCH纳米颗粒的蛋白溶解度较PC颗粒提高。PCH在14天存储后沉淀较少，而PC因姜黄素诱导易发生疏水聚集。HA作为“壳”像“防护罩”，屏蔽姜黄素的疏水位点，使得姜黄素介导的PC纳米颗粒之间的聚集和沉淀显著降低。Turbiscan稳定性指数（TSI）显示，PCH稳定性较好。
2. 姜黄素包封效率突破
PCH的前四组包封率（EE）达80%以上。与PC纳米颗粒相比，PCH纳米颗粒的EE随着HA的掺入而增加。HA的加入不仅“锁住”更多姜黄素，还通过氢键增强姜黄素与蛋白的结合（结合常数Ka从6.76×10⁷升至8.63×10⁷），给姜黄素提供更疏水的微环境（UV-Vis红移证实）。
3. 构象变化驱动吸附增强
- 蛋白“变形记”：CD光谱表明与PC相比，PCH中α-螺旋的含量增加，β-折叠的含量减少，说明HA的添加改变了蛋白的构象；
- 实时吸附：QCM-D结果显示，PC的Δf（频率下降）和ΔD（耗散增加）显著高于纯蛋白，表明姜黄素诱导的蛋白构象变化显著增强了PC的吸附量（PC3组厚度达12.8 nm，是纯蛋白的2.8倍）；
- 分子“锁钥”机制：MD模拟证实，HA与蛋白通过多位点氢键（如HA的羟基与蛋白的Lys、Asn残基）紧密结合，体系自由能（ΔG）从-20.96 kcal/mol降至-36.35 kcal/mol，稳定性大幅提升。
结论与展望：从机制到应用的“跨越”
本研究证实，MP与姜黄素结合后的构象发生改变（二级结构与三级结构），并增强了HA与MP-姜黄素的吸附和相互作用，形成的核壳结构（PCH）在蛋白溶解度、稳定性、包封率三方面表现优异。这一发现为设计高效姜黄素递送系统提供了新思路——通过“蛋白-多酚-多糖”协同作用，精准调控纳米颗粒的组装与功能。
基金支持
本研究获国家现代农业产业技术体系（CARS-41）、国家自然科学基金（32172243）等项目资助。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2025.111645
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