帶電納米顆粒與相分離的帶電生物膜之間相互作用的分子模擬*

梁燚然 梁清

(浙江師范大學(xué)物理系, 統(tǒng)計(jì)物理與凝聚態(tài)理論研究中心, 金華 321004)

(2018 年10 月23日收到; 2018 年11 月27日收到修改稿)

納米顆粒在納米醫(yī)藥、細(xì)胞成像等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用, 深入理解納米顆粒與生物膜之間相互作用的微觀(guān)機(jī)制是納米顆粒合成與應(yīng)用的重要基礎(chǔ). 本文采用粗?；肿觿?dòng)力學(xué)模擬的方法研究了帶電配體包裹的金納米顆粒與相分離的帶電生物膜之間的相互作用. 結(jié)果表明, 通過(guò)改變金納米顆粒表面的配體密度、配體帶電種類(lèi)和比例, 以及膜內(nèi)帶電脂分子的種類(lèi), 可以方便地調(diào)控納米顆粒在膜表面或膜內(nèi)停留的位置和狀態(tài). 進(jìn)一步從自由能的角度分析了帶電納米顆粒與帶電生物膜之間相互作用的微觀(guān)物理機(jī)制. 本文對(duì)納米粒子在納米醫(yī)藥、細(xì)胞成像等領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的理論參考意義.

1 引 言

納米顆粒因其獨(dú)特的物理與化學(xué)性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于藥物輸送、癌癥的靶向治療、細(xì)胞成像等領(lǐng)域[1-6]. 另一方面, 有些納米顆?？赡軙?huì)損壞細(xì)胞質(zhì)膜或細(xì)胞器, 甚至殺死細(xì)胞, 產(chǎn)生不同程度的細(xì)胞毒性[7-12]. 所以, 如何提高納米顆粒的利用效率, 同時(shí)降低某些納米顆粒的細(xì)胞毒性是納米顆粒在納米醫(yī)藥等相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的難題和人們關(guān)注的焦點(diǎn).

改良納米顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)最有效的方法之一是表面功能化, 即在納米顆粒表面嫁接各種不同性質(zhì)的聚合物或多肽等生物分子[13-16]. 現(xiàn)有的大量研究表明, 表面功能化不僅可以提高納米顆粒在藥物輸送時(shí)的效率和生物穩(wěn)定性,而且還可以降低納米顆粒所造成的細(xì)胞毒性, 提高納米顆粒的生物安全性[17-19].

無(wú)論是納米顆粒的相關(guān)應(yīng)用還是納米顆粒的細(xì)胞毒性, 都與納米顆粒與生物膜之間的相互作用密切相關(guān)[20-22]. 近幾年來(lái), 隨著超高分辨率顯微技術(shù)的不斷發(fā)展, 大量的實(shí)驗(yàn)工作研究了各種類(lèi)型的納米顆粒與生物膜相互作用[23-27]. 另一方面, 隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高和各種分子模擬模型的不斷完善與發(fā)展, 分子模擬方法也成為了研究納米顆粒與生物膜之間相互作用的一種非常有效的方法, 它能夠非常方便地從分子層次上研究尺寸較小的納米顆粒與生物膜相互作用的微觀(guān)過(guò)程, 從而揭示納米顆粒與生物膜相互作用的微觀(guān)物理機(jī)制[28-34]. 例如, van Lehn等[35-37]利用全原子分子模擬方法發(fā)現(xiàn)表面嫁接上疏水配體的小尺寸金納米顆?？梢宰园l(fā)且較快地滲透到脂質(zhì)雙層膜中.Lin等[38,39]利用粗粒化力場(chǎng)參數(shù)模擬發(fā)現(xiàn)金納米顆粒表面嫁接的配體的親疏水性質(zhì)以及帶電性質(zhì)都對(duì)金納米顆粒和脂質(zhì)雙層之間的相互作用有著一定的影響, 嫁接帶正電配體的顆粒更易吸附于生物膜上, 但也會(huì)對(duì)膜造成較大的破壞. 研究人員還發(fā)現(xiàn)納米顆粒的大小、形狀以及與膜的接觸面積都對(duì)其與生物膜的相互作用有著不同的影響[9,28,29,34,40,41]. 此外, Simonelli等[42]發(fā)現(xiàn)金納米顆粒表面帶電和中性配體的分布也會(huì)顯著影響顆粒往生物膜內(nèi)滲透的難易程度.

在這些相關(guān)的分子模擬研究中, 大多數(shù)的生物膜都是單組分膜或單相膜[35-39]. 但是真實(shí)的生物膜都是由多組分脂分子和膜蛋白構(gòu)成的, 不同脂分子之間會(huì)發(fā)生相分離, 形成物理和化學(xué)性質(zhì)不同的微觀(guān)疇結(jié)構(gòu)[43-45]. 納米顆粒與不同性質(zhì)的脂質(zhì)疇之間相互作用的微觀(guān)機(jī)制人們還知之甚少.

在最近的一個(gè)研究工作中, 采用粗?；姆肿觿?dòng)力學(xué)方法研究了配體包裹的金納米顆粒的配體密度及配體帶電比例對(duì)納米顆粒與相分離的電中性生物膜之間的相互作用的影響[46]. 發(fā)現(xiàn)同一種顆粒與不同脂質(zhì)疇之間的相互作用具有顯著的區(qū)別,而且通過(guò)改變配體的嫁接密度和帶電比例可以很容易地調(diào)節(jié)顆粒與膜之間的相互作用.

實(shí)際上, 在真實(shí)的生物膜中, 除了電中性的脂分子, 還存在著許多帶電脂分子, 它們可能會(huì)對(duì)帶電的納米顆粒與生物膜之間的相互作用產(chǎn)生重要影響. 本文將在我們前期工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究含有帶電脂分子的相分離生物膜與帶電納米顆粒之間的相互作用, 揭示帶電脂分子的種類(lèi), 納米顆粒表面配體的嫁接密度以及帶電種類(lèi)和比例對(duì)納米顆粒與生物膜之間相互作用的影響.

2 方法與模型

2.1 模擬方法

本文所采用的模擬方法為粗粒化的分子動(dòng)力學(xué)模擬. 脂分子、水分子、離子以及納米顆粒表面嫁接的配體都用粗?；腗ARTINI力場(chǎng)來(lái)描述[47,48], 在這一力場(chǎng)里, 平均每4個(gè)非氫原子被看作一個(gè)粗?；牧Ｗ? 這樣就明顯減少了計(jì)算量,從而可以考慮更大尺寸的生物膜在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的動(dòng)力學(xué)行為. 不同分子之間非鍵合相互作用的參數(shù)與我們前期的工作保持一致, 即非鍵合的粗?；Ｗ又g的Lennard-Jones勢(shì)在0.9—1.2 nm間衰減為0, 庫(kù)侖相互作用勢(shì)在0—1.2 nm之間衰減為0[49-51]. 所有的模擬都采用NPT系綜, 膜的平面(xy平面)和法向 (z軸)方向的壓強(qiáng)均采用Parrinello-Rahman方法固定在1 bar (1 bar =105Pa)[52,53], 同時(shí)系統(tǒng)的溫度采用V-rescale方法保持在305 K[54]. 所有的分子動(dòng)力學(xué)模擬都通過(guò)Gromacs 5.0運(yùn)行, 模擬時(shí)間步長(zhǎng)為20 fs. 為了考察系統(tǒng)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的動(dòng)力學(xué)行為, 每一個(gè)系統(tǒng)都模擬了15 μs以上.

2.2 理論模型

本文所模擬的系統(tǒng)主要由納米顆粒和脂質(zhì)雙層膜構(gòu)成, 除此之外, 還有一定數(shù)量的水分子和用來(lái)中和脂分子及納米顆粒所帶電荷的反離子(Na+或 Cl-). 系統(tǒng)的尺寸約為 18 nm × 18 nm ×28 nm.

2.2.1 金納米顆粒

本文所采用的納米顆粒模型是我們前期的一個(gè)模擬工作所建立的[46], 由金(Au)內(nèi)核與配體兩部分組成(如圖1所示). 顆粒的內(nèi)核由314個(gè)中性的粒子(代表Au原子)按照面心立方的結(jié)構(gòu)排列而成, 形狀為截角八面體. 內(nèi)核表面均勻地嫁接著中性或帶電的配體, 每個(gè)配體均由4個(gè)粗?；Ｗ油ㄟ^(guò)化學(xué)鍵連接而成. 配體分子的尾部通過(guò)化學(xué)鍵連接在Au核的表面(如圖1所示). 配體分子固定端的粗?；Ｗ邮侵行缘? 中間2個(gè)粒子是疏水性的. 配體的帶電性質(zhì)和種類(lèi)主要由自由端的粗?；Ｗ記Q定, 若自由端的粒子帶正電, 則配體為正電配體; 若自由端粒子帶負(fù)電, 則配體為負(fù)電配體;若自由端為中性粒子, 則配體為中性配體.

圖1 金納米顆粒和脂分子的分子結(jié)構(gòu)示意圖 其中DPPC, DFPC以及CHOL (膽固醇)為不帶電的脂分子,而DPPG和DFPG為頭部帶負(fù)電的脂分子; 另外DPPC和DPPG為飽和脂分子, 而DFPC和DFPG為不飽和脂分子; 顆粒和各種脂分子的各部分顏色表示通用于全文Fig.1. Molecular schematic illustrations of Au nanoparticle and lipids. Here, DPPC, DFPC and cholesterol (CHOL)are electrically neutral, while DPPG or DFPG has a negatively charged headgroup. Additionally, DPPC and DPPG are fully saturated, while DFPC and DFPG are poly-unsaturated. The coloring scheme of the nanoparticle and lipids is used throughout the whole paper.

在本文中主要考察了納米顆粒表面配體的嫁接密度、帶電種類(lèi)以及帶電比例對(duì)顆粒與含不同種類(lèi)帶電脂分子的相分離脂質(zhì)雙層膜之間相互作用的影響. 選取了3種不同的配體嫁接密度, 分別占金核表面原子總數(shù)的40%, 60%和100%, 相應(yīng)的配體數(shù)目分別為70, 104和174, 相對(duì)應(yīng)的實(shí)際面密度為1.07 nm-2, 1.62 nm-2和2.67 nm-2. 需要說(shuō)明的是, 配體嫁接密度為40%和60%的情況實(shí)驗(yàn)上是很容易實(shí)現(xiàn)的[55,56], 而配體嫁接密度為100% (即174個(gè)配體)的情況是一種理想的情況,實(shí)驗(yàn)上可能較難實(shí)現(xiàn), 只是理論模擬的一種參考系統(tǒng). 這些配體有些是全部帶電的, 有些是部分帶電的. 為方便起見(jiàn), 我們用符號(hào)Aun/+(-)m表示某一個(gè)總共嫁接了n個(gè)配體, 其中m個(gè)為帶正電(+)或帶負(fù)電 (-)的配體的納米顆粒. 例如,Au104/-70表示配體總數(shù)為104, 其中的70個(gè)配體為帶負(fù)電的配體的納米顆粒. 本文所考察的所有納米顆粒如表1所示.

表1 本文所研究金納米顆粒的類(lèi)型Table 1. Types of Au nanoparticles in this work.

2.2.2 脂質(zhì)雙層膜

本文所研究的脂質(zhì)雙層膜為由飽和脂分子、不飽和脂分子及膽固醇組成的三元雙層膜. 飽和脂分子, 不飽和脂分子和膽固醇的摩爾比為4∶3∶3, 在這一組分比例和305 K溫度的條件下, 該脂質(zhì)雙層膜會(huì)發(fā)生相分離, 形成富含飽和脂分子和膽固醇的流體有序(Lo)疇和富含不飽和脂分子的流體無(wú)序(Ld)疇(如圖2所示). 膜脂的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)如圖1所示, 其中, DPPC和DPPG為飽和脂分子,DFPC和DFPG為不飽和脂分子, 每一個(gè)尾鏈含有3個(gè)不飽和鍵. PC為中性脂分子, 而PG的頭部則帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷, 即可認(rèn)為PG為帶電脂分子. 本文主要考察了兩種脂質(zhì)雙層膜, 具體組分見(jiàn)表2. 第一種膜內(nèi), Lo疇?zhēng)ж?fù)電(含有帶負(fù)電的DPPG脂分子), 第二種膜內(nèi), Ld疇?zhēng)ж?fù)電(含有帶負(fù)電的DFPG脂分子). 在這兩種膜內(nèi), PG脂分子的含量分別占Lo疇或Ld疇中脂分子總數(shù)的30%.

圖2 由 DPPC (紫色), DFPC (粉紅色)及 CHOL (灰色)按4 ∶ 3 ∶ 3摩爾比組成的三組分相分離脂質(zhì)雙層膜的側(cè)視圖(上)和俯視圖(下). 其中, Lo疇富含DPPC和CHOL, Ld疇富含DFPCFig.2. Phase-separated lipid bilayer composed of DPPC(purple), DFPC (pink) and CHOL (gray) with the molar ratio of 4 ∶ 3 ∶ 3. Here, Lo domain is enriched in DPPC and CHOL, while Ld domain is enriched in DFPC.

表2 脂質(zhì)雙層膜及脂質(zhì)疇的組分Table 2. Components of lipid bilayers and lipid domains.

2.3 納米顆粒與脂質(zhì)疇之間的自由能計(jì)算

為了深入理解分子動(dòng)力學(xué)模擬的結(jié)果及納米顆粒與脂質(zhì)雙層膜之間相互作用的微觀(guān)物理機(jī)制,采用傘形抽樣的方法計(jì)算了納米顆粒與Lo疇及Ld疇之間相互作用的自由能, 即平均力勢(shì)(potential of mean force, PMF). 主要比較了 Au70/+70和Au174/+174與電中性的Lo疇和Ld疇以及帶電的Lo疇和Ld疇之間的PMF (Au104/+104的情況應(yīng)介于Au70/+70和Au174/+174之間, 為了節(jié)約計(jì)算資源, 沒(méi)有計(jì)算), 還比較了Au70/-70與電中性的Lo疇和Ld疇以及帶電的Lo疇和Ld疇之間的PMF.在計(jì)算PMF的時(shí)候, Lo疇由飽和的脂分子DPPC(或 70% DPPC加 30% DPPG)和 CHOL按照4∶3的摩爾比例構(gòu)成, Ld疇則全部由不飽和脂分子 DFPC (或 70% DFPC加 30% DFPG)構(gòu)成.具體計(jì)算方法可參考我們前期的一個(gè)研究工作[46].

3 結(jié)果與討論

3.1 帶正電的顆粒與帶負(fù)電的相分離膜之間的相互作用

首先研究了嫁接有帶正電的配體的納米顆粒與含有帶負(fù)電的脂分子(DPPG或DFPG)的相分離膜之間的相互作用. 分別考察了不同配體嫁接密度的納米顆粒與Lo疇?zhēng)щ姾蚅d疇?zhēng)щ姷哪ぶg的相互作用.

圖3給出了3種不同配體嫁接密度的納米顆粒吸附于Lo疇含有帶負(fù)電的DPPG脂分子的相分離膜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程. 發(fā)現(xiàn)這3種納米顆粒最終都吸附于帶負(fù)電的Lo疇的表面, 只是吸附的動(dòng)力學(xué)過(guò)程有一些差別. Au70/+70大約在1.01 μs開(kāi)始吸附于膜的表面, 并在3.20 μs左右移動(dòng)到兩疇的交界面處, 這一狀態(tài)在隨后大約12 μs的模擬中保持穩(wěn)定, 顆粒的位置沒(méi)發(fā)生明顯的改變. Au104/+104吸附到膜表面所需時(shí)間更短些, 大約在0.31 μs就吸附于膜的表面并于1.80 μs時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).Au174/+174僅僅用了0.10 μs就吸附于膜的表面且在1.20 μs時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài). 可以看出, 由于顆粒表面的正電荷與Lo疇內(nèi)DPPG頭部的負(fù)電荷之間的相互吸引作用, 顆粒帶電越多, 顆粒與DPPG之間的吸引越強(qiáng), 顆粒吸附并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越短.

圖3 3種不同帶正電的納米顆粒吸附于由DPPC&DPPG/DFPC/CHOL組成的相分離膜上的動(dòng)力學(xué)過(guò)程 (a) Au70/+70;(b) Au104/+104; (c) Au174/+174Fig.3. Dynamic processes of adsorption of three different positively charged nanoparticles onto the surface of phase-separated lipid bilayer composed of DPPC & DPPG/DFPC/CHOL: (a) Au70/+70; (b) Au104/+104; (c) Au174/+174.

另一方面, 從圖3可以看出隨著顆粒帶電量的改變, 顆粒的吸附狀態(tài)、膜內(nèi)脂分子的分布以及膜的形態(tài)也都呈現(xiàn)出一定程度的差別. 由于Au70/+70表面帶正電的配體的嫁接密度比較小(40%), 配體分子鏈排列比較稀疏, 配體疏水部分很容易暴露于水中. 所以Au70/+70表現(xiàn)出一定的疏水性, 有部分的體積嵌入了膜內(nèi)疏水區(qū)域(圖3(a)), 這與我們前期關(guān)于Au70/+70和電中性膜之間相互作用的研究結(jié)果是不同的. 對(duì)于電中性膜, Au70/+70能夠從Ld疇嵌入膜內(nèi)[46].

Au104/+104和Au174/+174表面帶正電的配體的嫁接密度比較大, 親水性比較強(qiáng), 所以它們幾乎整體都暴露于水環(huán)境中或吸附于膜的表面(圖3(b),(c)). 同時(shí), 由于帶正電的配體與帶負(fù)電的DPPG之間的吸引作用, 大量的DPPG分子聚集于顆粒之下. 尤其是Au174/+174, 由于較強(qiáng)的庫(kù)侖吸引作用, 膜的形態(tài)呈現(xiàn)出一定程度的彎曲, 顆粒的一部分被膜包裹(圖3(c)). 由此可見(jiàn), 在當(dāng)前的系統(tǒng)中,靜電相互作用對(duì)于顆粒在膜表面的吸附起著重要的作用.

圖4給出了3種不同配體嫁接密度的納米顆粒嵌入或吸附于Ld疇含有帶電的DFPG脂分子的相分離膜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程. 與Lo疇?zhēng)щ姷那闆r(圖3)相似, 由于庫(kù)侖吸引相互作用, 帶正電的顆粒首先吸附于帶負(fù)電的Ld疇表面. 但不同顆粒最終的分布情況卻有所不同. 對(duì)于Au70/+70, 由于其表面配體的嫁接密度較低, 有一定的疏水性, 再加上Ld疇里脂分子排列比較松散無(wú)序, 所以表面部分疏水的Au70/+70最終嵌入到Ld疇內(nèi)(圖4(a)).對(duì)于Au104/+104和Au174/+174, 由于它們有較大的配體嫁接密度和親水性且不易變形, 所以這兩種顆粒很難嵌入膜內(nèi)疏水部分, 最終只是吸附于帶負(fù)電的Ld疇表面(圖4(b), (c)). 與Lo疇?zhēng)щ娗闆r不同, 由于Ld疇比較松散無(wú)序, 這兩種顆粒有更多的體積嵌進(jìn)了膜內(nèi), 其中, 帶電較多的Au174/+174有大部分的體積被Ld疇包裹著(圖4(c)).

圖4 3種不同帶正電的納米顆粒吸附于由DPPC/DFPC&DFPG/CHOL組成的相分離膜上的動(dòng)力學(xué)過(guò)程 (a) Au70/+70;(b) Au104/+104; (c) Au174/+174Fig.4. Dynamic processes of adsorption of three different positively charged nanoparticles into/onto the surface of the phaseseparated lipid bilayer composed of DPPC/DFPC&DFPG/CHOL: (a) Au70/+70; (b) Au104/+104; (c) Au174/+174.

進(jìn)一步分別計(jì)算了Au70/+70和Au174/+174與帶負(fù)電的Lo疇和Ld疇的PMF并與電中性的Lo疇和Ld疇的PMF做比較, 從而深入理解帶正電的納米顆粒與帶負(fù)電相分離膜之間相互作用的微觀(guān)機(jī)制(圖5). 發(fā)現(xiàn)當(dāng)這兩種顆粒吸附于帶負(fù)電的Lo疇表面時(shí)(對(duì)應(yīng)圖3的情況), 均出現(xiàn)一個(gè)明顯的自由能極小值, 正是這個(gè)極小值使得帶正電的兩種顆粒都更傾向于吸附于帶負(fù)電的Lo疇表面,形成一種比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(如圖5內(nèi)的插圖). 另外, 從圖5(a)可以看出, Au70/+70有嵌入Ld疇的可能. 但由于Au70/+70與帶負(fù)電的Lo疇之間的庫(kù)侖吸引作用, 顆粒將首先吸附于Lo疇表面, 因此并沒(méi)有觀(guān)察到Au70/+70嵌入電中性的Ld疇的情況. 如果增加抽樣次數(shù)并延長(zhǎng)足夠的模擬時(shí)間, 有可能觀(guān)察到Au70/+70嵌入Ld疇內(nèi)的情況, 但這超出了現(xiàn)有的計(jì)算能力范圍.

對(duì)于帶負(fù)電的Ld疇(對(duì)應(yīng)于圖4的情況), 兩種顆粒與Ld疇的PMF曲線(xiàn)比較相似, 系統(tǒng)的自由能都隨著顆粒與疇之間距離的減小而降低, 兩種顆粒均有嵌入膜內(nèi)的傾向. Au70/+70由于配體嫁接密度較低, 容易變形, 帶電的配體的頭部均分布于脂質(zhì)雙分子層親水的區(qū)域, 形成一種穩(wěn)定的嵌入結(jié)構(gòu)(如圖4(a)所示). Au174/+174由于配體嫁接密度較高, 體積較大且不容易變形, 所以無(wú)法完全穿透膜, 只能部分嵌入膜, 形成被膜包裹的結(jié)構(gòu)(如圖4(c)所示).

圖5 兩種帶正電的顆粒與帶電/中性的Lo/Ld脂質(zhì)疇之間的PMF曲線(xiàn) (a) Au70/+70; (b) Au174/+174Fig.5. PMF curves of two kinds of positively charged nanoparticles with charged/neutral Lo/Ld lipid domains: (a) Au70/+70; (b)Au174/+174.

3.2 帶負(fù)電的顆粒與帶負(fù)電的相分離膜之間的相互作用

接下來(lái)研究了帶負(fù)電的顆粒與帶負(fù)電的相分離膜之間的相互作用. 仍然分別考察了3種不同配體嫁接密度的納米顆粒與Lo疇?zhēng)ж?fù)電和Ld疇?zhēng)ж?fù)電的膜之間的相互作用(圖6). 結(jié)果表明, 不管是Lo疇?zhēng)ж?fù)電的膜還是Ld疇?zhēng)ж?fù)電的膜, 3種顆粒均吸附于兩疇交界處(Au70/-70)或電中性疇的表面上且所有的顆粒均無(wú)法嵌入膜內(nèi). 相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究也表明帶負(fù)電的納米顆粒與生物膜之間的相互作用更弱, 細(xì)胞毒性更小[23]. 因此模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是定性一致的.

圖6 3種不同帶負(fù)電的納米顆粒吸附于DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a)—(c) 和DPPC/DFPC&DFPG/CHOL (d)-(f) 組成的相分離的膜表面上在模擬時(shí)間為15 μs時(shí)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.6. Final stable structures of adsorption of Au70/-70, Au104/-104, Au174/-174 onto the surface of DPPC&DPPG/DFPC/CHOL(a)-(c) and DPPC/DFPC&DFPG/CHOL (d)-(f) phase-separated lipid bilayers at the simulation time of 15 μs.

為了理解Au70/-70顆粒與Lo疇?zhēng)щ姷南喾蛛x膜及Ld疇?zhēng)щ姷南喾蛛x膜之間的相互作用, 計(jì)算了Au70/-70顆粒與這兩種疇之間的PMF (圖7).從曲線(xiàn)上可以看出, 由于顆粒和DPPG或DFPG均帶負(fù)電, 為了中和負(fù)電荷, 系統(tǒng)里加入了相應(yīng)數(shù)量Na+, 較多數(shù)量Na+的存在屏蔽了顆粒與帶電疇之間的相互排斥作用[57], 從而使得顆粒與膜的表面接觸時(shí), 與兩個(gè)疇的PMF的值都差不多, 沒(méi)有表現(xiàn)出對(duì)某一個(gè)疇明顯的親和性. 而兩疇交界面處脂分子比較無(wú)序, 存在一定的缺陷, 所以Au70/-70顆粒最終分布于兩疇交界處且部分嵌入了膜內(nèi)(如圖6(a), (d)所示). 顆粒與Ld疇的PMF曲線(xiàn)也表明隨著顆粒與疇之間距離的減少, 顆粒與帶電或不帶電疇之間的PMF值降低. 但由于顆粒表面吸附有一定量的Na+, 顆粒表面表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性,所以顆粒完全嵌入Ld疇(對(duì)應(yīng)圖7中R= 0 nm處)與顆粒吸附于膜表面(對(duì)應(yīng)圖7中R≈ 5.0 nm處)的 PMF的差值 (≈ 100—200 kJ/mol)并不大, 則顆粒進(jìn)入Ld疇的概率較低, 在我們的模擬中沒(méi)有觀(guān)察到Au70/-70嵌入Ld疇的情況. 如果抽樣次數(shù)足夠多且模擬時(shí)間足夠長(zhǎng), Au70/-70也有可能嵌入Ld疇內(nèi).

圖7 Au70/-70與帶電/中性的Lo/Ld脂質(zhì)疇之間的PMF曲線(xiàn)Fig.7. PMF curves of Au70/-70 with charged/neutral Lo/Ld lipid domains.

對(duì)于Au104/-104和Au174/-174兩種顆粒, 由于他們表面嫁接有較多的帶電配體, 系統(tǒng)中相應(yīng)的Na+濃度也增加, 顆粒與帶負(fù)電的Lo或Ld疇表現(xiàn)出排斥相互作用, 所以他們傾向于吸附在中性疇的表面上(如圖6(b), (c), (e), (f)所示). 另一方面,這些顆粒表面有較強(qiáng)的親水性, 這些親水的配體不喜歡與疏水的脂分子尾鏈接觸, 所以即使它們吸附在脂分子排列較松散無(wú)序的Ld疇的表面, 也無(wú)法嵌入膜內(nèi). 與顆粒帶正電的情況不同, 帶負(fù)電的顆粒與Ld疇內(nèi)的脂分子頭之間不存在較強(qiáng)的吸引相互作用, 所以也無(wú)法形成如圖4所示的顆粒被膜包裹的結(jié)構(gòu).

3.3 顆粒表面的疏水性對(duì)其與帶電相分離生物膜之間相互作用的影響

通過(guò)改變顆粒表面帶電配體的比例和配體嫁接密度, 研究了顆粒表面的疏水性對(duì)顆粒與帶電相分離生物膜之間相互作用的影響.

首先, 研究了表面部分帶正電的Au104/+70與Lo疇含帶電DPPG (圖8(a))和Ld疇含有帶電的DFPG的相分離膜之間的相互作用(圖8(b)).結(jié)果表明, 當(dāng)Lo疇?zhēng)щ姇r(shí), Au104/+70吸附于Lo疇的表面, 而當(dāng)Ld疇?zhēng)щ姇r(shí), Au104/+70則嵌入了Ld疇內(nèi). 其次, 研究了 Au174/+70和 Lo疇?zhēng)щ?圖8(c))和Ld疇?zhēng)щ?圖8(d))的相分離膜之間的相互作用. 在這兩種情況下, Au174/+70顆粒都嵌入了Ld疇內(nèi).

對(duì)于Au104/+70, 由于顆粒表面大部分的配體帶正電, 顆粒表面局域電荷密度較大, 顆粒受帶負(fù)電的脂分子(DPPG或DFPG)的靜電吸引力也比較大, 所以Au104/+70的最終分布主要由顆粒與帶電疇之間的庫(kù)侖吸引作用決定. 當(dāng)Lo疇?zhēng)щ姇r(shí),由于Lo疇內(nèi)脂分子排列較有序, 顆粒很難嵌入疇內(nèi), 所以Au104/+70被吸附于Lo疇的表面(如圖8(a)所示); 當(dāng)Ld疇?zhēng)щ姇r(shí), 由于Ld疇內(nèi)分子排列較無(wú)序, 再加上顆粒表面還有一些疏水性的中性配體, 所以被帶電脂分子吸引的Au104/+70顆粒最終嵌入Ld疇內(nèi)(如圖8(b)所示). 對(duì)于Au174/+70, 帶電配體所占比例較小, 顆粒表面局域電荷密度也較小, 顆粒受膜內(nèi)帶負(fù)電的脂分子的影響較小. 另一方面, 由于不帶電的配體是疏水性的, Au174/+70的表面有較強(qiáng)的疏水性, 所以它更傾向于從Ld疇嵌入膜內(nèi)疏水的區(qū)域(如圖8(c), (d)所示).

圖8 兩種不同的表面部分帶正電的納米顆粒吸附或嵌入DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a), (c) 和DPPC/DFPC&DFPG/CHOL (b), (d) 組成的相分離的膜表面或內(nèi)部在模擬時(shí)間為15 μs時(shí)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.8. Final stable structures of adsorption/penetration of Au104/+70 and Au174/+70 onto/into the DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a), (c) and DPPC/DFPC&DFPG/CHOL(b), (d) phase-separated lipid bilayers at the simulation time of 15 μs.

圖9 兩種不同的表面部分帶負(fù)電的納米顆粒吸附或嵌入DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a), (c) 和DPPC/DFPC&DFPG/CHOL (b), (d) 組成的相分離的膜表面或內(nèi)部在模擬時(shí)間為15 μs時(shí)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.9. Final stable structures of adsorption/penetration of Au104/-70 and Au174/-70 onto/into the DPPC&DPPG/DFPC/CHOL (a), (c) and DPPC/DFPC&DFPG/CHOL(b), (d) phase-separated lipid bilayers at the simulation time of 15 μs.

進(jìn)一步考察了部分配體帶負(fù)電的納米顆粒與含有帶負(fù)電脂分子的相分離膜之間的相互作用(圖9). 與部分配體帶正電的顆粒的情況不同, 對(duì)于Au104/-70, 無(wú)論是Lo疇還是Ld疇?zhēng)ж?fù)電, 顆?？偸俏接谀け砻鎯僧牻唤缣? 不會(huì)嵌入膜內(nèi)(如圖9(a), (b)所示). 這種情況與前面討論的Au70/-70與膜之間的相互作用類(lèi)似, 由于較多Na+的存在, Au104/-70與帶負(fù)電的Lo或Ld疇之間的排斥相互作用被屏蔽了一部分, 所以Au104/-70無(wú)論是對(duì)Lo疇還是Ld疇都不顯示出明顯的親和性, 最終分布于兩疇交界處. 對(duì)于Au174/-70, 顆粒表面的疏水性起主導(dǎo)作用, 所以不管是Lo疇還是Ld疇?zhēng)ж?fù)電, Au174/-70顆?？偸遣糠只蛉壳度隠d疇內(nèi)(如圖9(c), (d)所示).

4 結(jié) 論

本文采用粗?；姆肿觿?dòng)力學(xué)方法詳細(xì)研究了帶電納米顆粒與含有帶負(fù)電脂分子的相分離脂質(zhì)雙層膜之間的相互作用. 分別考察了顆粒表面配體的嫁接密度、配體帶電種類(lèi)和比例以及膜內(nèi)帶電脂分子的種類(lèi)等因素對(duì)顆粒與膜之間相互作用的影響. 研究結(jié)果表明, 顆粒有兩種分布狀態(tài): 一種是吸附于膜的表面, 另一種是嵌入膜內(nèi). 顆粒表面的親疏水性決定了顆粒最終是吸附于膜表面還是嵌入膜內(nèi). 如果顆粒表面親水性較強(qiáng), 則顆粒傾向于吸附于膜的表面; 反之如果顆粒表面疏水性較強(qiáng), 則顆粒傾向于嵌入膜內(nèi). 對(duì)于吸附于膜表面的顆粒, 它最終吸附于Lo疇還是Ld疇的表面主要由顆粒表面的電荷與帶電脂分子頭部電荷之間的相互作用決定. 對(duì)于能夠嵌入膜內(nèi)的顆粒, 它們總是嵌入脂分子排列比較無(wú)序的Ld疇. 顆粒表面的親疏水性與其表面嫁接的配體密度, 電荷數(shù)目以及吸附的反離子數(shù)目有關(guān).

本文的結(jié)果提供了一種通過(guò)改變納米顆粒表面配體和膜內(nèi)脂分子的帶電性質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)納米顆粒與生物膜之間相互作用的方法, 這對(duì)于納米顆粒在納米醫(yī)藥、細(xì)胞成像等領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的參考意義.