鐵蛋白納米籠分子裝載途徑及食品活性物質(zhì)遞送的研究進(jìn)展

陳海,馬良,戴宏杰,付余,王洪霞,張宇昊

(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院,重慶,400715)

鐵蛋白(ferritin)是一個(gè)古老而龐大的蛋白家族,普遍存在于各種動(dòng)物、植物以及微生物體內(nèi)。它是一種分子質(zhì)量為450 kDa左右的大分子蛋白,由24個(gè)亞基自組裝形成中空籠形結(jié)構(gòu)[1]。鐵蛋白在生物體內(nèi)主要是參與機(jī)體鐵元素的代謝平衡以及保護(hù)細(xì)胞免受因各種環(huán)境脅迫而導(dǎo)致的細(xì)胞氧化損傷[2]。20世紀(jì)80年代以來(lái),隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展和鐵蛋白結(jié)構(gòu)特性認(rèn)識(shí)的加深,鐵蛋白作為一種新型的蛋白質(zhì)納米材料已經(jīng)被廣泛用于無(wú)機(jī)納米顆粒合成[3]、生物傳感器[4]、生物成像[5]、藥物遞送[6]等領(lǐng)域?；阼F蛋白獨(dú)特的納米籠形結(jié)構(gòu),其內(nèi)部的納米空間結(jié)構(gòu)可裝載各種食品功能活性物質(zhì)。由于鐵蛋白外殼的穩(wěn)定性良好,一旦外源性分子被裝載到鐵蛋白空腔內(nèi)部,籠形結(jié)構(gòu)外殼可將其與復(fù)雜的外界環(huán)境隔絕開(kāi)來(lái),避免與外界的大分子物質(zhì)、氧化劑、酸堿物質(zhì)等接觸,以適應(yīng)各種復(fù)雜的加工條件,有助于保護(hù)包埋物的生物活性；蛋白質(zhì)外殼結(jié)構(gòu)還可以有效降低環(huán)境中的光照和熱量等因素的不良影響,穩(wěn)定包埋物的理化特性[7]。因此,鐵蛋白納米籠在生物活性物質(zhì)遞送的研究中已經(jīng)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果和發(fā)展前景。本文將對(duì)鐵蛋白的分布、結(jié)構(gòu)及其制備方法進(jìn)行介紹,總結(jié)鐵蛋白納米顆粒裝載外源性小分子的途徑,即基于可逆組裝特性的分子裝載途徑和基于環(huán)境響應(yīng)的通道“門控”特性的分子裝載途徑,并綜述了鐵蛋白納米顆粒在食品功能活性物質(zhì)包埋中的應(yīng)用。

1 鐵蛋白納米籠的分子結(jié)構(gòu)

鐵蛋白是生物體內(nèi)一種十分重要的富含鐵元素的鐵貯存及去毒蛋白質(zhì),在生物體內(nèi)具有調(diào)節(jié)鐵代謝平衡的功能；還可以清除鐵介導(dǎo)的自由基反應(yīng),保護(hù)機(jī)體免受環(huán)境脅迫而導(dǎo)致的細(xì)胞氧化性損傷[8]。鐵蛋白廣泛存在于各種動(dòng)物、植物以及微生物中[9-11]。生物體內(nèi)的鐵蛋白主要由蛋白質(zhì)外殼和鐵核2部分構(gòu)成。鐵核是由磷酸鹽和氫氧化鐵組成的非均勻無(wú)機(jī)納米顆粒[10]；蛋白質(zhì)外殼是由24個(gè)亞基組裝而成的高度對(duì)稱的中空籠形結(jié)構(gòu)(圖1)。該結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑約為7～8 nm,外徑約為12～13 nm,厚度約為2～2.5 nm。一般情況下,鐵蛋白的籠形結(jié)構(gòu)是按照F432對(duì)稱方式組裝形成的近似正八面體結(jié)構(gòu)[1]。高度對(duì)稱的組裝方式使得鐵蛋白納米籠具有8個(gè)相同的三重軸通道和6個(gè)相同的四重軸通道,這些通道的直徑大小約為0.3～0.5 nm,是離子或者分子等物質(zhì)進(jìn)出鐵蛋白的主要路徑,在鐵蛋白內(nèi)部空腔與外界環(huán)境的物質(zhì)和能量交換中扮演著十分重要的角色[11]。鐵蛋白的每個(gè)亞基呈近似圓柱狀,長(zhǎng)約5 nm,直徑約為2.5 nm,主要由4個(gè)長(zhǎng)α-螺旋(A,B,C,D)和C端第5個(gè)較短α-螺旋結(jié)構(gòu)組成。與動(dòng)物鐵蛋白相比,植物鐵蛋白除了具有保守的螺旋結(jié)構(gòu)之外,其亞基結(jié)構(gòu)還包含一個(gè)N端的EP(extension peptide)結(jié)構(gòu),延伸于鐵蛋白的外殼表面,參與鐵蛋白的氧化沉淀[12]。

a-鐵蛋白的籠形結(jié)構(gòu)；b-鐵蛋白的內(nèi)外直徑；c-植物鐵蛋白的亞基結(jié)構(gòu)；d-鐵蛋白的三重軸和四重軸通道圖1 鐵蛋白結(jié)構(gòu)及其離子通道Fig.1 The structure of ferritin protein and its ions channels

2 鐵蛋白納米籠的制備及表征方法

2.1 生物材料提取天然鐵蛋白

鐵蛋白的來(lái)源非常廣泛,幾乎在所有的生物體內(nèi)都有發(fā)現(xiàn)。目前,科研工作者相繼從各種動(dòng)植物組織中如豬脾、鱘魚肝臟、大豆、紅小豆、鷹嘴豆、花蕓豆等分離出鐵蛋白,并建立了動(dòng)植物鐵蛋白的分離純化方法[2,7,13-14]。從動(dòng)植物組織中提取鐵蛋白的基本流程主要包括：組織細(xì)胞破碎、粗料液熱處理、中性鹽沉淀以及色譜分離。其中,提取溫度、緩沖液pH值、料液比、中性鹽的種類、鹽濃度等是提取鐵蛋白的主要影響因素,對(duì)鐵蛋白產(chǎn)率的影響較大。例如,辛敏等[13]在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用L9(34)正交試驗(yàn)方法優(yōu)化了鷹嘴豆鐵蛋白的提取工藝。各種實(shí)驗(yàn)因素對(duì)鷹嘴豆鐵蛋白提取率的影響順序依次為:料液比>鹽濃度>溫度>pH。在天然鐵蛋白的提取工藝過(guò)程中,料液的加熱處理可以有效地去除熱敏感雜蛋白,提高鐵蛋白的提取率?；阼F蛋白較高的熱穩(wěn)定性,粗料液熱處理一般于60～75 ℃水浴加熱20 min。

2.2 基因工程制備

利用基因工程的方法,使鐵蛋白基因在宿主細(xì)胞中高效表達(dá),可以為鐵蛋白工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)遺傳背景清楚,培養(yǎng)周期短并且表達(dá)水平高,是目前基因工程制備鐵蛋白的主要表達(dá)系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)多種來(lái)源的鐵蛋白基因可以在大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)中高效地表達(dá)并折疊形成正確的蛋白質(zhì)三維構(gòu)象[15-19],如縊蟶蛋白[16]、牡蠣鐵蛋白[17]、大豆鐵蛋白[18]等。相比于生物組織的提取方法,利用DNA重組技術(shù)制備鐵蛋白具有產(chǎn)量高、周期短、利于分離純化等特點(diǎn)?；蚬こ碳夹g(shù)制備鐵蛋白的產(chǎn)量會(huì)受到外源鐵蛋白基因本身的特性、表達(dá)系統(tǒng)、培養(yǎng)條件如溫度、誘導(dǎo)劑以及誘導(dǎo)時(shí)間等因素的影響。通過(guò)控制宿主細(xì)胞的培養(yǎng)溫度、誘導(dǎo)劑濃度及誘導(dǎo)時(shí)間可以提升鐵蛋白的產(chǎn)率。夏小雨等[19]探究了中式發(fā)酵罐制備人源重鏈鐵蛋白的生產(chǎn)工藝,對(duì)攪拌轉(zhuǎn)速、空氣量以及誘導(dǎo)時(shí)間3個(gè)關(guān)鍵的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在中式發(fā)酵罐中表達(dá)鐵蛋白的最佳攪拌轉(zhuǎn)速為200 r/min,空氣通量1.6 L/min,表達(dá)時(shí)間9 h。該研究的開(kāi)展為工業(yè)化制備鐵蛋白納米遞送系統(tǒng)奠定了研究基礎(chǔ)。

2.3 鐵蛋白的鑒定及表征

目前,基于對(duì)不同來(lái)源鐵蛋白的廣泛研究,系統(tǒng)的鑒定和表征方法得以建立，電泳技術(shù)、電鏡技術(shù)等是鑒定和表征鐵蛋白最常用的方法。由于鐵蛋白是24個(gè)蛋白亞基組成的中空籠形結(jié)構(gòu)蛋白,因此,采用變性電泳、非變性電泳及透射電子顯微鏡技術(shù)可以有效地對(duì)鐵蛋白的結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定和表征。另外,隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,肽指紋圖譜和X射線晶體衍射技術(shù)也逐步被用于鐵蛋白的結(jié)構(gòu)表征。

3 鐵蛋白納米籠包埋外源性小分子的途徑

鐵蛋白具有特殊的籠狀結(jié)構(gòu),其天然的內(nèi)部空腔為外源性營(yíng)養(yǎng)素、藥物等小分子的裝載提供了良好的空間基礎(chǔ)。目前,將食品生物活性物質(zhì)裝載至鐵蛋白內(nèi)部空腔的途徑主要依賴于可逆組裝特性的調(diào)控和環(huán)境響應(yīng)通道門控特性的調(diào)控。

3.1 基于可逆組裝特性的分子裝載途徑

鐵蛋白的亞基以自組裝的方式形成中空的籠形24聚體,維系亞基與亞基之間的相互作用力主要是氫鍵、鹽橋、疏水作用力等弱相互作用力。在一定的物理和化學(xué)條件下,鐵蛋白籠形結(jié)構(gòu)可以發(fā)生解聚并重新組裝。多數(shù)鐵蛋白具有獨(dú)特的pH值響應(yīng)的可逆組裝特性(圖2),即在pH≤2.0或pH≥11.0的條件下,鐵蛋白能夠解離成單亞基狀態(tài),當(dāng)環(huán)境恢復(fù)至中性條件時(shí),鐵蛋白亞基又自發(fā)的重新組裝,形成中空球狀結(jié)構(gòu)[20]。因此,在鐵蛋白復(fù)性的過(guò)程中,外源性小分子物質(zhì)可以通過(guò)物理截留以及化學(xué)結(jié)合的方式有效地包埋于鐵蛋白的內(nèi)部空腔[21-22]。利用這一可逆組裝特性,已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了姜黃素[22]、花青素[23]、胡蘿卜素[24]等多種生物活性物質(zhì)的裝載。

圖2 鐵蛋白的可逆組裝特性示意圖Fig.2 Schematic diagram of the reversible assembly and disassembly characteristics of ferritin nanocage

鐵蛋白亞基與亞基之間的界面相互作用直接影響著鐵蛋白結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。合理修飾或改造界面間的相互作用可以有效地調(diào)控鐵蛋白對(duì)pH值的敏感程度,進(jìn)而改善鐵蛋白可逆組裝的條件。CHEN等[25]采用分子裁剪的方法減弱C4界面亞基與亞基之間的相互作用力。研究結(jié)果表明該新型蛋白納米籠在pH 4.0條件下解離成亞基,當(dāng)環(huán)境恢復(fù)至中性時(shí),解離的亞基可以自發(fā)組裝形成籠形結(jié)構(gòu)。同時(shí),復(fù)性的過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)姜黃素小分子的裝載。WANG等[26]報(bào)道了基于AB loop結(jié)構(gòu)修飾的制備策略,修飾后的鐵蛋白能夠在pH 4.0的條件下自發(fā)解離成蛋白亞基,為小分子包埋物的進(jìn)入提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。相比于動(dòng)物鐵蛋白,植物鐵蛋白的N端包含EP肽段結(jié)構(gòu),以交互的方式結(jié)合在相鄰亞基的表面[27]。研究發(fā)現(xiàn)堿性蛋白酶可以水解紅小豆鐵蛋白的EP肽段結(jié)構(gòu),進(jìn)而降低鐵蛋白的穩(wěn)定性,促使鐵蛋白在pH 4.0的條件下發(fā)生解離[28]。相對(duì)溫和的可逆組裝特性不僅降低了極端pH環(huán)境對(duì)包埋物生物活性的影響,同時(shí)還可以極大地拓展鐵蛋白納米載體的應(yīng)用范圍。

脈沖電場(chǎng)、超高壓、輻照、超聲處理等新型物理加工方式能夠影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)內(nèi)的疏水相互作用、鹽橋、氫鍵以及二硫鍵等分子內(nèi)相互作用,從而實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的物理改性[29]。YANG等[30]采用大氣壓冷等離子體(atmospheric cold plasma,ACP)技術(shù)預(yù)處理紅小豆鐵蛋白(ted bean seed ferritin,RBF)。研究發(fā)現(xiàn)ACP處理RBF之后,RBF結(jié)構(gòu)中的部分α-螺旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性明顯降低。但是鐵蛋白局部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變并未對(duì)RBF四級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的破壞。更值得關(guān)注的是,穩(wěn)定性的降低使得RBF可以在pH 4.0的條件下解離成單亞基,當(dāng)溶液pH值恢復(fù)至中性時(shí),解離的亞基又可以重組裝成中空球狀結(jié)構(gòu)。基于這一特性,ACP處理后的RBF能夠在溫和條件下裝載姜黃素小分子。MENG等[31]研究了脈沖電場(chǎng)(pulsed electric fields,PEF)對(duì)RBF結(jié)構(gòu)的影響,PEF預(yù)處理BRF使得部分α-螺旋結(jié)構(gòu)被破壞,RBF穩(wěn)定性降低。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),PEF處理后的RBF具有溫和的可逆組裝特性(pH 3.6)。而且,在該實(shí)驗(yàn)條件下,蘆丁的包埋率可以達(dá)到13.7 %。最近,MENG等[32]報(bào)道了一種基于壓熱聲處理(manothermosonication,MTS)技術(shù)改善RBF可逆組裝特性的研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,MTS技術(shù)將RBF解離成亞基所需要的臨界pH值提升至3.6,并且在該條件下實(shí)現(xiàn)了表沒(méi)食子兒茶素沒(méi)食子酸酯(epigallocatechin gallate,EGCG)的高效裝載。因此,采用物理加工方式對(duì)鐵蛋白進(jìn)行改性,可以改善鐵蛋白的可逆組裝條件,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鐵蛋白在溫和的條件下裝載小分子。

3.2 基于環(huán)境響應(yīng)的通道“門控”特性的分子裝載途徑

鐵蛋白封閉的殼狀結(jié)構(gòu)表面分布著8個(gè)三重軸通道和6個(gè)四重軸通道,這些通道的尺寸大小為0.3～0.5 nm,是連接內(nèi)部空腔與外環(huán)境的主要橋梁。金屬離子、水分子等尺寸較小的離子或者分子可以自由擴(kuò)散進(jìn)出鐵蛋白。相反,分子質(zhì)量較大的生物活性物質(zhì)由于通道尺寸的限制并不能自由地進(jìn)出鐵蛋白[1]。植物源鐵蛋白的這些通道在特殊環(huán)境下并不是完全的剛性結(jié)構(gòu),而是表現(xiàn)出一定的柔性特質(zhì),即環(huán)境響應(yīng)的通道“門控”特性(圖3)。這一發(fā)現(xiàn)為生物活性小分子進(jìn)入鐵蛋白內(nèi)部空腔提供了新的裝載途徑[33-36]。低濃度尿素、鹽酸胍、熱處理等均可誘發(fā)鐵蛋白的通道尺寸(Dchannel)發(fā)生變化,進(jìn)而為小分子進(jìn)入鐵蛋白內(nèi)部空腔敞開(kāi)“大門”；當(dāng)改變誘發(fā)條件時(shí),變大的通道可逆性的恢復(fù)至原始的剛性結(jié)構(gòu),進(jìn)而完成“大門”關(guān)閉及小分子的封裝。

圖3 響應(yīng)性的鐵蛋白通道變化Fig.3 Stimulus-responsive channel of ferritin

尿素分子會(huì)破壞蛋白質(zhì)內(nèi)部的弱相互作用力,進(jìn)而導(dǎo)致蛋白質(zhì)發(fā)生不同程度的變性,并且蛋白質(zhì)的變性程度依賴于尿素的工作濃度。YANG等[33]研究發(fā)現(xiàn),低濃度的尿素(20 mmol/L)處理紅小豆鐵蛋白不會(huì)破壞鐵蛋白的球狀結(jié)構(gòu),但會(huì)誘導(dǎo)鐵蛋白四重軸通道尺寸變大；圓二色譜結(jié)果顯示,這種響應(yīng)性的通道尺寸變化可能與鐵蛋白亞基C端的E螺旋結(jié)構(gòu)的變性密切相關(guān)。低濃度誘發(fā)的E螺旋結(jié)構(gòu)變性是可逆的,透析去除尿素之后,變大的通道恢復(fù)至變性前的剛性結(jié)構(gòu)?；谀蛩仨憫?yīng)性的通道“門控”特性,紅小豆鐵蛋白可以成功封裝EGCG、綠原酸和花青素等小分子物質(zhì)；相比于pH誘導(dǎo)鐵蛋白可逆組裝的裝載途徑,鐵蛋白裝載小分子的包埋率相差無(wú)幾。鹽酸胍(GuHCl)與尿素分子具有類似的功能,均能夠影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；研究表明2 mmol/L鹽酸胍處理大豆鐵蛋白(soybean seed ferritin,SSF)也可達(dá)到類似的“門控”特性[34]。蛋白質(zhì)受到加熱處理時(shí),結(jié)構(gòu)內(nèi)部的次級(jí)鍵發(fā)生不同程度的破壞,導(dǎo)致局部構(gòu)象變化甚至不可逆的徹底變性。YANG等[35]評(píng)估了不同溫度對(duì)鐵蛋白整體結(jié)構(gòu)以及局部構(gòu)象的影響,發(fā)現(xiàn)大豆鐵蛋白在60 ℃加熱30 min后,鐵蛋白局部構(gòu)象發(fā)生變化,通道尺寸變大；當(dāng)溫度降低至20 ℃時(shí),局部構(gòu)象的變化得以恢復(fù)?；跍囟软憫?yīng)的通道“門控”特性,鐵蛋白裝載蘆丁的包埋率為8.08 %。最近,張晨曦等[36]采用超聲輔助加熱的方法制備鐵蛋白-蝦青素包埋物,研究發(fā)現(xiàn)超聲(100 W)處理人H型鐵蛋白(HuHF)30 min,誘發(fā)鐵蛋白的通道發(fā)生變化的溫度降低至40 ℃。綜上所述,環(huán)境響應(yīng)的通道“門控”特性為鐵蛋白裝載食品功能性活性分子提供了新途徑,并且可有效地避免因極端酸性或者堿性環(huán)境對(duì)包埋物造成的結(jié)構(gòu)破壞和活性損失。值得注意的是,基于通道“門控”特性裝載活性物質(zhì)的途徑極大地受限于被包埋物的分子大小,因?yàn)檫^(guò)度的通道尺寸變化會(huì)導(dǎo)致鐵蛋白整體結(jié)構(gòu)的破壞。

4 鐵蛋白納米籠在食品生物活性物質(zhì)裝載方 面的應(yīng)用

4.1 改善脂溶性活性物質(zhì)的水溶性

食品中含有許多對(duì)人體有益的脂溶性活性物質(zhì),如胡蘿卜素類、黃酮類化合物等,通常具有抗氧化、抗炎和抗癌等功能[37-38]。然而,這些活性成分具有較差的水溶性,極大地限制了其在食品工業(yè)中的應(yīng)用。不同來(lái)源的鐵蛋白的外表面分布著較多的親水性氨基酸及負(fù)電荷氨基酸,因此,具有很好的水溶性和單分散性；另外,相比于植物來(lái)源的鐵蛋白,動(dòng)物鐵蛋白通常表現(xiàn)出更高的水溶性,因此,被廣泛用于改善脂溶性活性成分的水溶性。CHEN等[24]利用pH誘導(dǎo)的可逆組裝特性將脂溶性的β-胡蘿卜素包埋于HuHF的內(nèi)部空腔,使β-胡蘿卜素在水溶液中的溶解性發(fā)生了顯著的改變。而且,鐵蛋白-β-胡蘿卜素復(fù)合物的制備過(guò)程不會(huì)對(duì)鐵蛋白本身的溶解性產(chǎn)生負(fù)面影響。除此之外,多種植物鐵蛋白如大豆鐵蛋白、紅小豆鐵蛋白等也被用作載體材料負(fù)載脂溶性活性物質(zhì)。目前,脂溶性生物活性物質(zhì)如姜黃素[22]、蝦青素[36]、蘆丁[39]、葉黃素[40]等均可以借助于鐵蛋白納米顆粒改善其在水溶液中的溶解性。

4.2 增強(qiáng)活性物質(zhì)的穩(wěn)定性

4.3 提高活性物質(zhì)的生物利用度

LV等[45]探究了植物鐵蛋白和動(dòng)物鐵蛋白在人體腸胃中的穩(wěn)定性及其細(xì)胞吸收機(jī)制,體外模擬消化實(shí)驗(yàn)和小鼠體內(nèi)消化實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)動(dòng)物和植物鐵蛋白可以通過(guò)腸胃屏障抵達(dá)小腸；Caco-2細(xì)胞模型顯示動(dòng)植物鐵蛋白以受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用吸收進(jìn)入細(xì)胞,并且吸收效率與鐵蛋白種類及亞基組成密切相關(guān)。因此,利用鐵蛋白納米顆粒負(fù)載生物活性物質(zhì)可以有效地克服其生物利用度低的缺點(diǎn)。ZHANG等[23]利用SSFH-2包埋花色苷cyanidin-3-O-glucoside (C3G),經(jīng)測(cè)定平均每個(gè)SSFH-2內(nèi)部空腔裝載了37.5個(gè)C3G分子。通過(guò)分析游離C3G和SSFH-2-C3G復(fù)合物的單細(xì)胞吸收和粘附效果,結(jié)果表明SSFH-2-C3G復(fù)合物能夠以內(nèi)吞的方式吸收進(jìn)入細(xì)胞,相比于游離的C3G分子,包埋復(fù)合物具有較高的吸收效率,而且粘附并截留在Caco-2細(xì)胞表面的含量更低,更加有利于C3G分子的腸道吸收。而且,較高的細(xì)胞吸收效率可顯著提高生物活性物質(zhì)在體內(nèi)的功能特性[46]。

4.4 靶向運(yùn)輸活性物質(zhì)

研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)鐵蛋白受體1(transferrin receptor 1,TfR1)是HuHF進(jìn)入細(xì)胞的重要受體分子之一,它們之間較高親和力的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)主要源于HuHF的AB loop及其周圍結(jié)構(gòu)[47]。由于大多數(shù)癌細(xì)胞在生長(zhǎng)增殖的過(guò)程中會(huì)過(guò)度地表達(dá)TfR1。因此,HuHF對(duì)多種癌細(xì)胞都表現(xiàn)出特異性的識(shí)別和靶向性[48]。生物活性物質(zhì)具有抗炎、抗氧化、抗癌等功能,在癌癥治療方面發(fā)揮著積極的作用。PANDOLFI等[49]采用堿性條件解離HuHF的策略成功裝載姜黃素小分子,制備出了水溶性良好的鐵蛋白-姜黃素(Curcumin-HuHF,CFn)納米復(fù)合物；通過(guò)TfR1介導(dǎo)的內(nèi)吞作用,CFn納米顆粒能夠有效地將姜黃素小分子靶向遞送到乳腺癌細(xì)胞,并通過(guò)抑制Akt 的磷酸化活性殺傷癌細(xì)胞。相比于游離的姜黃素分子,CFn納米復(fù)合物表現(xiàn)出更好的治療效果。

4.5 發(fā)揮生物活性物質(zhì)的協(xié)同效應(yīng)

2種或多種生物活性物質(zhì)混合后,在抗炎、抗氧化、抗癌等方面往往能表現(xiàn)出生物協(xié)同效應(yīng)。然而,由于不同生物活性物質(zhì)在溶解度、細(xì)胞吸收途徑、細(xì)胞吸收效率等方面存在差異,使得它們?cè)谏矬w內(nèi)協(xié)同效應(yīng)的發(fā)揮受到極大的影響。MANSOURIZADEH等[22]利用馬脾鐵蛋白(equine spleen apoferritin,HoS-Apo)的可逆組裝特性,將槲皮素和姜黃素裝載于其內(nèi)部空腔,獲得了槲皮素-姜黃素-鐵蛋白三元納米復(fù)合物；相比于二者的簡(jiǎn)單混合,三元復(fù)合物同時(shí)提高了槲皮素和姜黃素的生物利用度和癌細(xì)胞靶向性,對(duì)人乳腺癌細(xì)胞(human breast cancer cell,MCF7)表現(xiàn)出更高的協(xié)同殺傷效果,抑制和殺傷MCF7細(xì)胞所需的劑量顯著降低。封裝于鐵蛋白內(nèi)部空腔后可顯著降低其對(duì)MCF10A細(xì)胞的毒副作用。另外,在不影響鐵蛋白內(nèi)部空腔裝載能力的前提下,其外表面也可以用于負(fù)載某些特殊的生物活性小分子。MENG等[50]利用堿性條件誘發(fā)橙皮素共價(jià)結(jié)合于鐵蛋白外表面,制備了橙皮素-鐵蛋白納米復(fù)合物。研究發(fā)現(xiàn)橙皮素的共價(jià)結(jié)合對(duì)鐵蛋白的可逆組裝特性并未產(chǎn)生顯著影響,橙皮素-鐵蛋白二元納米復(fù)合物的內(nèi)部空腔可進(jìn)一步裝載多種生物活性物質(zhì),如槲皮素[50]。因此,該研究為充分發(fā)揮橙皮素和其他生物活性物質(zhì)的協(xié)同作用提供了研究基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

食品中的許多生物活性物質(zhì)容易受到光、熱、金屬離子等環(huán)境因素的作用而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和生物活性的降低,而且多數(shù)生物活性物質(zhì)具有較差的水溶性,這些因素限制了其在功能食品開(kāi)發(fā)以及臨床輔助治療上的應(yīng)用。鐵蛋白是廣泛存在于生物體內(nèi)的鐵貯藏蛋白,其獨(dú)特的納米籠形結(jié)構(gòu)和裝載特性可以將外源性小分子包埋于內(nèi)部空腔,以此隔絕外部環(huán)境的干擾。鐵蛋白具有良好的水溶性、單分散性、穩(wěn)定性、細(xì)胞吸收效率以及細(xì)胞靶向性。因此,鐵蛋白作為一種新型的蛋白質(zhì)納米載體,在穩(wěn)定生物活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、保護(hù)生物活性以及提升生物利用率等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。目前,鐵蛋白包埋生物活性物質(zhì)的研究主要聚焦于鐵蛋白裝載率的提升、裝載途徑的工藝優(yōu)化、以及生物活性成分的保護(hù),而對(duì)于生物活性分子-鐵蛋白復(fù)合物在腸胃中的穩(wěn)定研究以及體內(nèi)緩釋研究相對(duì)較少[40]。由于受到腸胃酸性環(huán)境影響以及各種酶的作用,鐵蛋白載體在抵達(dá)小腸之前,部分鐵蛋白遭受結(jié)構(gòu)性破壞,內(nèi)容物易發(fā)生泄漏。因此,如何減少或者防止鐵蛋白納米載體在腸胃中的損失仍需要進(jìn)一步的研究。另外,基于鐵蛋白納米復(fù)合物的可控釋放相關(guān)的研究仍然處于起步階段,鐵蛋白納米復(fù)合物對(duì)外界環(huán)境響應(yīng)性的釋放內(nèi)容物對(duì)生物活性分子功能的發(fā)揮具有重要意義,如何實(shí)現(xiàn)鐵蛋白納米復(fù)合物的可控釋放將是鐵蛋白納米載體在食品生物活性物質(zhì)遞送以及醫(yī)藥領(lǐng)域的重要研究方向。