脂筏微区介导纳米颗粒跨膜行为的动力学模拟研究

纳米颗粒在靶向药物输送等生物医学领域，有着广泛的应用前景。纳米颗粒的跨膜运输行为，是纳米生物学领域的一类科学问题。深入理解颗粒跨膜的微观机制，是纳米颗粒生物医学应用的前提之一。脂筏是细胞膜上一类特殊的动态微区结构，具有介导物质跨膜转运的功能。由于脂筏尺寸小（10-200nm）、生存期短，目前仅通过实验手段，实时研究脂筏介导纳米颗粒的跨膜转运过程，尚存在困难。本申请项目应用分子动力学模拟技术，分层次研究脂筏介导纳米颗粒的跨膜机制。研究中选择纳米医学领域较为关注的碳基材料作为模型纳米颗粒，构造三种脂筏结构模型，通过研究①颗粒性质对纳米颗粒在膜上吸附行为的影响，②颗粒吸附对脂筏微结构，以及脂筏扩散、聚集、融合等热动力学行为的影响，③细胞膜包裹纳米颗粒过程中，体系自由能-熵-焓等热力学参量的动态平衡关系，深化对脂筏介导纳米颗粒跨膜微观机理的认识，并为相关纳米药物载体的研发与定量分析提供理论支持。

本项目应用分子动力学方法，针对不同组分的磷脂膜模型，模拟了纳米颗粒与多组分磷脂膜的作用过程；通过对于体系能量等参数变化的分析，讨论了不同电性和表面修饰纳米颗粒吸附，对膜组分运动、膜上微结构变化和磷脂膜形变的影响，从而进一步研究脂筏介导纳米颗粒跨膜转运行为的微观机理。..（1）生物膜组分的动态招募过程，在诸如细胞信号转导，细胞内吞等细胞生理活动中，发挥重要作用。模拟发现，带电纳米颗粒膜上吸附，对膜组分存在动态招募作用。纳米颗粒与脂质分子之间的静电作用，对脂质分子侧向扩散，突起以及膜内翻转--跳跃行为等运动模式均存在影响；能够导致膜组分的聚集和细胞膜曲率的改变。从细胞膜组分的角度看，细胞膜脂质组分的比例及其链长因素对两者作用的影响也不可忽视。相对于膜脂质组分比例的影响，颗粒表面电荷密度对于调控磷脂膜包裹颗粒的影响更为显著。磷脂膜对于颗粒吸附的响应，也会因脂质分子链长变化而变化：较厚的磷脂膜可以通过膜出芽的方式，完成对颗粒的全包裹；较薄的磷脂膜可能因为颗粒吸附而出现缺陷甚至破孔。所得模拟结果与实验现象吻合，有助于辅助判定纳米载体的毒性及其潜在应用，并为进一步研究脂筏介导的纳米颗粒内吞机理，提供了一些理论基础。..（2）纳米载体的表面PEG修饰可以明显改善载体的理化性能。细胞内化过程与细胞膜曲率变化有关，表面PEG修饰可以抑制纳米颗粒吸附所导致的磷脂膜曲率变化，从而降低载体被吞噬的几率，其作用效果与所修饰的PEG链长和修饰密度两个因素有关。对于PEG链长的变化来说，PEG修饰对膜弯曲的抑制作用由四方面因素决定：亲水PEG表面修饰所改善的纳米颗粒水溶性，PEG分子在磷脂膜表面的“跳跃”接触模式，吸附过程中长链PEG分子构象的变化，以及柔性PEG修饰所改善的纳米颗粒表面弹性。除上述因素之外，增大PEG表面修饰密度，可以增加PEG分子之间的空间位阻排斥，使得PEG链的刚性变强，同样可以抑制颗粒吸附导致的膜弯曲。同时，纳米颗粒的尺寸因素对PEG化纳米载体抑制膜包裹作用的影响也不容忽视。所得模拟结果，为PEG修饰延长纳米载体长效循环等性质的实验现象，提供了一些微观层面的机理解释，并为进一步研究表面修饰纳米颗粒与多组分膜作用，创造了必要条件。..本项目基本完成了预期的考核指标，目前已发表SCI研究论文3篇（其中2篇正式发表，1篇已接收），国内核心期刊2篇；参加国内学术会议1人次。