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《中山大学》 2020年
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磁光纳米探针磁性及探针对潜伏膜蛋白作用的计算研究

徐飞鸿  
【摘要】:恶性肿瘤已经严重危害人类健康,鼻咽癌是较为常见的恶性肿瘤之一,在广东省的发病率尤其高。由于高靶向性、高灵敏度和高光热转换效率等特点,新型磁光纳米生物医学探针在肿瘤的生物成像和治疗领域起着关键作用。氧化铁材料作为磁共振成像造影剂,金纳米材料用作光热治疗,多功能纳米探针可以提高肿瘤的诊疗一体化效果,对肿瘤进行高灵敏度成像诊断的同时还能安全有效地进行治疗。在以前关于多功能纳米探针的成像功能和光热治疗功能已有大量的实验基础,实验工作主要集中在纳米探针的结构设计、制备、性能表征和毒性分析等。纳米探针的磁性会直接影响磁共振成像的灵敏度,纳米探针进入生物体内会与各种生物组织发生相互作用。然而由于原子层面或分子层面的信息缺失,实验手段难以深刻理解新型磁光纳米探针掺杂稀土离子的磁性增强机理以及探针与脂质膜、膜蛋白等生物组织相互作用的机理,多尺度的先导性计算可以发挥重要的作用。磁光纳米探针的设计仍需进一步完善,最佳的稀土离子掺杂量还不确定,探针与肿瘤相互作用的诊疗机理还不明确,特别是理论方面的研究十分缺乏,所以对磁光纳米探针的磁性增强机理以及探针对膜蛋白的作用机理展开先导性的计算研究十分有必要。通过第一原理计算和分子动力学计算的多尺度模拟方法,本论文对磁光纳米探针开展先导性的磁性增强机理研究以及对探针与鼻咽癌关键潜伏膜蛋白的相互作用进行机理研究。基于 SDFT+U(Spin-polarized Density Functional Theory)的第一性原理计算,本论文使用Quantum Espresso软件对稀土离子Dy3+掺杂到γ-Fe2O3中的磁性增强效应进行先导性计算。计算结果表明,体系总磁矩随Dy3+掺杂量的增加先增加后减小,总磁矩下降的原因是稀土离子掺杂量过大导致晶格畸变,出现非共线磁矩。该部分工作从计算上预测了 Dy3+最佳掺杂量的存在,揭示了纳米探针的磁性增强机理。根据先导性的计算,本团队开展了 Dy3+掺杂的γ-Fe2O3纳米颗粒的相关实验。实验结果表明,颗粒的饱和磁矩随着Dy3+掺杂量的增加先增加后减小,与第一性计算的结果规律一致。本团队制备的最佳Dy3+掺杂量下的γ-Fe2O3纳米颗粒的横向弛豫率几乎是掺杂前的两倍。本论文得到颗粒核磁自旋-自旋弛豫率和饱和磁矩的关系为r2∝Ms1.3902。本论文通过先导性的第一性计算指导,在实验上制备出弛豫性能良好的的γ-Fe2O3纳米颗粒,得到了灵敏度高且安全性好的磁共振成像造影剂,为磁光纳米探针在肿瘤的成像诊断方面的应用奠定基础。本论文随后使用Gromacs分子动力学计算软件研究金纳米探针与脂质膜的相互作用以及探针对鼻咽癌关键膜蛋白LMP1(Latent Membrane Protein 1)的作用。通过模拟退火方法,本论文成功将PEG3-SH配体高覆盖率地挂接在金纳米探针的表面。本论文对修饰后的金纳米探针与 DPPC(1,2-DIHEXADECANOYL-RAC-GLYCERO-3-PHOSP)磷脂双分子层的相互作用进行研究。计算结果表明,脂质膜会自发形成膜内的疏水空间,探针与脂质膜会相互吸引靠近,这揭示了探针与脂质膜的相互作用机理。本论文随后研究了修饰后的金纳米探针对鼻咽癌关键蛋白LMP1的作用机理。计算结果表明,探针与蛋白会相互吸引靠近,探针会影响LMP1-TRAF3的二级结构。由于棒状金纳米探针的各向异性,其纵轴的局域表面等离子共振效应比横轴更强,蛋白处于探针的纵轴比处于横轴时更不稳定,探针升温也会加剧蛋白的不稳定性,特别是残基Asp 210(Aspartate)。对整个生物大蛋白的分子动力学计算无法在原子尺度深入理解其中的作用机理,本论文随后使用第一性原理计算代表纵轴的Au(111)金表面和代表横轴的Au(110)金表面对关键残基Asp 210的作用。第一性计算结果表明,Au(111)对Asp 210的作用比Au(110)更强烈,即探针纵轴对Asp 210的作用比横轴更强烈,与分子动力学计算结果一致。本论文通过多尺度计算揭示了磁光纳米探针对鼻咽癌关键蛋白的作用机理,为探针用于肿瘤的光热治疗提供了理论指导。总的来说,本论文揭示了磁光纳米探针的磁性增强机理及探针对鼻咽癌关键蛋白的作用机理,为磁光纳米探针在肿瘤的高灵敏度成像和光热治疗领域提供前瞻性的理论指导,为探针实现肿瘤的诊疗一体化应用奠定良好的理论基础。
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