纳米材料在生物体内的分布、转运及清除特征是纳米材料生物医学应用，是纳米材料生物效应及安全性研究中最重要的基础科学问题。中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室丰伟悦研究员及国内外相关研究领域的研究团队，在前期的研究中揭示纳米材料的物理化学特性，如尺寸、形状、表面电荷、表面化学功能团和比表面积等对纳米材料在体内循环、组织器官中的清除等具有重要影响。此外，组织器官结构特征、生理因素和纳米特性也是影响纳米材料在肝脏和肾脏中的蓄积和清除模式的重要因素。近期，该团队揭示了金纳米材料表面不同的化学修饰，可影响其在体内的生物化学稳定性，从而决定了其在体内的分布、转运、清除途径及生物学效应，该研究于2020年3月发表在纳米生物技术领域期刊Journal of Nanobiotechnology 上，题目为Surface chemistry governs the sub-organ transfer, clearance and toxicity of functional gold nanoparticles in the liver and kidney（DOI：10.1186/s12951-020-00599-1）。

表面化学是纳米材料功能化最主要的手段，特别是在生物医学应用领域，表面修饰策略对提高其生物相容性、靶向性和有效性至关重要。金纳米材料在药物传输，生物成像，光热治疗，生物传感等领域具有巨大的应用前景。国内外大量研究通过对金纳米材料表面进行多样化修饰，使其具有多种功能，如药物递送、肿瘤诊断和治疗等，但材料表面化学基团的键合方式与其在体内生物化学稳定性的联系及对体内分布、转运、清除和毒性的影响规律尚不明晰。

在近期研究中，该研究团队比较了表面不同化学修饰的金纳米颗粒（GNPs），包括聚乙二醇修饰的金纳米颗粒（PEG-GNPs，6 nm）、壳聚糖修饰的金颗粒（CS-GNPs，6 nm）和聚乙烯亚胺修饰的金颗粒（PEI-GNPs，6 nm）在生物微环境中的生物化学稳定性、在肝脏和肾脏的分布、转运和清除及金纳米材料在肝脏蓄积、转运和清除过程中对肝脏基因转录表达的影响。研究发现以Au-S强配位结合的PEG-GNPs表面吸附蛋白的数量较少，在生理微环境中具有良好的分散稳定性，这有利于其通过肝血窦内皮细胞和Disse空间，进入肝实质细胞，进而经胆管通过胆汁排出；此外具有良好分散稳定性的PEG-GNPs也可以通过肾小球的滤过屏障，经由尿液排出。但是对于以Au-N弱配位结合的PEI-GNPs和静电结合的CS-GNPs，聚乙烯亚胺和壳聚糖配体容易从GNPs表面脱落，导致其容易吸附大量的血清蛋白，在体内发生团聚，形成较大的颗粒团簇，从而容易被肝巨噬细胞和肝血窦内皮细胞摄取，不利于GNPs在肝脏中的清除。此外，PEI-GNPs和CS-GNPs在肝脏的长期蓄积导致了较为明显的肝脏病理、超微结构和基因表达的改变。研究发现，PEI-GNPs和CS-GNPs诱导了代谢，免疫以及炎症相关的基因表达水平的显著升高。如PEI-GNPs注射组筛选出的差异表达基因（DEGs）主要参与了组蛋白去乙酰化过程调控、亚油酸代谢，花生四烯酸代谢和MAPK信号通路等。CS-GNPs组DEGs主要参与了氨基酸、脂肪酸的生物合成与代谢，花生四烯酸代谢等。

该研究初步阐明了通过对纳米材料的表面化学进行调控，可改变其在器官内的分布模式、清除途径和生物学效应。这对深入理解纳米材料生物安全性和设计具有临床转化应用前景纳米材料具有重要意义。

中国科学院高能所汪冰博士及丰伟悦研究员为论文的通讯作者；博士生李雪为第一作者。该研究得到国家重点研发计划（2016YFA0201600）和国家自然科学基金委的资助。