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金纳米粒子聚集行为以及与细胞膜相互作用的模拟研究

林佳奇  
【摘要】:金纳米粒子作为运载平台、检测媒介和治疗剂在生物医学中的应用在近年来以迅猛的速度增长。它们运载DNA到细胞核的效率是聚乙烯胺的八倍,并且金纳米粒子已经成功的运用到了新型癌症治疗手段中。在其大部分的生物医学应用中,金纳米粒子需要通过细胞膜到达特定的细胞器。它们可以通过细胞内吞(endocytosis)的方式进入细胞,或者直接穿透细胞膜而进入细胞,后者可能对细胞造成毒性。研究金纳米粒子的细胞摄入和其潜在毒性之间的关系是设计和制造这些纳米粒子最关键任务之一。 在过去的几年里有大量的实验致力于研究金纳米粒子和细胞膜的相互作用。有报告称金纳米粒子的表面电性可以剧烈的影响它的细胞摄入量。不仅如此,金纳米粒子的形状、配体结构和化学组成也都能导致其细胞摄入不同程度的改变。此外,阳性和阴性的金纳米粒子将以不同的方式进入细胞。特别的是,表面结构控制的阴性金纳米粒子可以越过细胞内吞作用而不对细胞膜造成明显的破坏。然而,金纳米粒子细胞摄入的机理还尚不清楚。另一方面,当细胞毒性的实验对不同物理和化学性质的金纳米粒子给出惊人的结果的同时,细胞毒性的作用的基本原理还尚未建立。细胞膜和金纳米粒子相互作用的分子层面信息的缺失使我们无法对实验现象进行更深一步的认识。此外,不同的实验手段和方法让现有的金纳米粒子的实验结果难以同时进行比较,所以对金纳米粒子和细胞膜的相互作用的展开系统而全面的研究是很有必要的。 针对纳米粒子与细胞膜相互作用,基于全原子的分子动力学模拟不具有足够大的时间和空间尺度因而无法观察到有价值的信息。而基于粗晶模型的分子动力学可以很好的克服这一难题。一个典型的粗晶分子动力学模型可以让模拟的时空尺度提高几个数量级。本文根据Marrink等人发展的MARTINI粗晶模型框架,建立了金纳米粒子的粗晶模型,其可以很好的再现金纳米粒子在实验中的结构与动力学特性。 根据建立的金纳米粒子粗晶模型,本文首先模拟了表面硫醇烷烃配体覆盖的2.2m直径的金纳米粒子在溶液中的聚集现象。发现配体末端没有携带功能团的金纳米粒子可以在水溶液中形成稳定的聚集团。在特殊情况下,金纳米粒子聚集成了一个链状团簇,即一维超晶格。八个金纳米粒子在尺寸为~15nm边长的正方体模拟盒子里的聚集的时间为几百个纳秒。随着金纳米粒子配体链长度的增加,聚集团表面也变得更光滑,金纳米粒子在其中的分布也变得更加有序。金纳米粒子配体末端功能团的化学性质对其聚集行为也会产生影响。当功能团的极性到达了一个极限后,金纳米粒子则失去了在水溶液中聚集的能力。而溶剂的性质严重的影响到了金纳米粒子的聚集行为。带电的金纳米粒子在任何情况都无法聚集成团。在溶液中加入了高浓度的盐(-600mM NaCl)也没能使其产生聚集。温度的升高可以加速聚集的过程。模拟的结果表明金纳米粒子在溶液中的聚集行为可以通过其表面配体功能团的特征或者溶液的性质很好的控制。 本文随后研究了细胞膜和金纳米粒子的相互作用。哺乳动物细胞膜由于其化学成分及镶嵌在其上的带负电荷的蛋白而整体上带有负的电性。此外,在细胞膜内的细胞质通常相对于细胞外液带有-60mV的电势差。所以本文用带有负电的双分子层和中性的双分子层一起来刻画哺乳动物细胞膜。模拟结果表明不同表面电性的金纳米粒子和脂质双分子层的所用会出现三种情况:吸附在双分子层上,穿透了双分子层或远离双分子层。自由能的计算表明金纳米粒子与双分子层的相互结合会获得很高的能量。电荷密度的增加会导致金纳米粒子穿膜程度的增加和对膜的破坏的增大。在金纳米粒子带有很高电荷密度的情况下,模拟发现了在金纳米粒子进入到双分子层之后的一段时间内在双分子层的边界部分生成了一个孔洞。孔洞生成的初期是呈疏水状,随着其扩张逐渐的演化成了亲水状,并达到了稳定状态。稳定状态的孔洞的半径为~5.5nm左右,其占整个双分子层面积的16%,此时孔洞透水效率达到了~1000分子/纳秒。孔洞的生成机理是由于脂质分子的头基和纳米粒子配体链末端的相互吸引作用而导致的双分子层高表面应力状态。双分子层为了减少这样的高应力状态而生成孔洞来调节。模拟发现金纳米粒子电荷密度的减少、双分子层带负电脂质分子的减少、表面张力的消除、温度的降低和盐分的加入都可以使孔洞无法在双分子层膜上生成。粒子穿入细胞膜和其对细胞造成的破坏可以解释实验中观察到的两个重要现象:金纳米粒子越过细胞内吞机制直接进入细胞和金纳米粒子对细胞的毒性。模拟的结果显示可以用纳米粒子表面电性来控制其和细胞的相互作用,从而实现其生物医学应用的指定功能。例如找到金纳米粒子的细胞摄入和细胞毒性之间的平衡点可以提高其运输药物的效率。


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