Fe3O4纳米颗粒与细胞膜作用的分子动力学模拟

1、Fe3O4纳米颗粒与细胞膜作用的分子动力学模拟 中国工程热物理学会 传热传质学术会议论文 编号: 123548Fe O 纳米颗粒与细胞膜作用的分子动力3 4学模拟*雷庆春 乐恺 吕晓星 张欣欣北京科技大学机械工程学院热能工程系, 北京 100083Tel: Email: yuekai/0>.摘要:针对 Fe O 纳米颗粒在生物体内的医学应用,采用经典的分子动力学模拟方法建立了粗粒度磷3 4脂膜-纳米颗粒模型,研究了不同修饰类型的 Fe3O4颗粒与电中性细胞膜的作用。从获得的颗粒周围水的径向分布函数发现,Fe O 颗粒在纳米尺度具有亲水特性。由于颗粒具有亲水性质

2、,无表面修饰的颗3 4粒将停留在膜外的水相中,亲水及亲水带电修饰的颗粒会吸附在膜表面,但不会发生穿膜。这些类型的颗粒对磷脂膜结构的影响均较小。而疏水修饰的颗粒将跨膜进入到膜内,本文通过获得其均方位移曲线计算了疏水、疏水带电修饰颗粒的跨膜扩散系数。通过统计平衡时细胞膜的单脂面积,分析了由于颗粒嵌入而导致的膜结构变化。关键词:Fe O 纳米颗粒 分子动力学 扩散系数 细胞膜3 40前言1,2 3近年来,磁性纳米粒子在生物医学领域比如在靶向药物输送 、磁共振成像 、肿4瘤磁感应热疗 等方面得到越来越多的应用,逐渐成为研究的热点。Fe O 以其磁性强、3 45制备相对简单、生物相容性较好等优点成为生物

3、医学领域常采用的一种重要磁性材料 。然而,将 Fe O 纳米材料应用于生物体时,Fe O 纳米颗粒与生物体相互作用的现象及3 4 3 46机理仍不清楚。研究表明 ,将 Fe O 纳米颗粒应用于肿瘤磁过热疗法时,Fe O 纳米颗3 4 3 4粒对癌细胞特别是对细胞膜的机械冲击、扩散等作用对治疗的效果起着不可忽视的作用。因此,在微观尺度研究 Fe O 颗粒与细胞膜的相互作用以及其在细胞水平微尺度的3 4输运行为对更好的了解纳米磁颗粒在生物医学中的应用起着至关重要的作用。迄今为止,国内外大量的实验探索证明,经过表面修饰改性的 Fe O 颗粒可以通过3 47与细胞膜作用进而影响膜结构或跨膜输运。Shi

4、nkai 等 发现含 Fe O 磁性阳离子脂质体3 4对带负电的小鼠脑胶质瘤细胞的亲合性比不带电荷的磁性脂质体提高了 10 倍。Zhang8等 证明用叶酸等修饰超顺磁性纳米颗粒后其可避免蛋白吸附及被巨噬细胞吞噬,更易9进入癌细胞。Jordan等 进一步研究证明细胞内吞不依赖于磁粒子浓度,而与粒子的水动力学及表面电荷有关。并且研究者们还发现,磁粒子的浓度会对细胞产生不同的毒性10,这表明除了生理内吞机制外,被动扩散、外力作用等物理机制或对细胞跨膜有着重11要影响。对膜的损伤方面,Kim 等 发现铁磁性纳米颗粒在磁场诱导下的运动可以破坏细胞膜有效杀死癌细胞。大量的实验研究表明,经过特异性修饰的 F

5、e3O4纳米颗粒可以跨膜进入细胞,并且在跨膜的过程中对膜结构产生破坏性损伤。但是颗粒跨膜的快慢以及在此过程如何对细基金项目:国家自然科学基金(50976013)胞膜结构产生了破坏,这些作用分别是什么因素决定的等这些微观机理仍不清楚。目前对纳米颗粒与细胞膜作用的理论研究主要集中在富勒烯颗粒、纳米金颗粒、定性的亲、12 13疏水颗粒上。Jirasak等 用计算机模拟了 C60颗粒的跨膜过程。Rakwoo等 采用计算14机模拟了工业燃烧碳颗粒与生物膜的相互作用。Lin等 模拟了阳离子配体修饰的纳米15,16金颗粒在带负电细胞膜作用纳米孔的形成。Li等 模拟了纳米颗粒的大小、亲疏水性以及带电性等对细胞

6、膜的作用。Fe O 颗粒与细胞膜作用的理论研究尚未见报道。3 4本文采用经典的 MD模拟方法对 Fe O 纳米颗粒与细胞膜之间的作用进行研究,分3 4析不同表面修饰的 Fe3O4颗粒与细胞膜作用的现象。通过计算分析颗粒的均方位移及运动轨迹,对颗粒的跨膜扩散情况进行分析,得到了不同类型颗粒的跨膜扩散系数。通过统计磷脂膜的单脂面积,对不同情况下膜结构的变化进行分析。1模型与方法1.1 模型构建17,18本文采用 MARTINI 粗力度化力场参数 来构建体系模型。 MARTINI 力场将所研究分子的全原子模型映射为粒子-粒子的粗粒度模型,其中每个粒子对应原子模型中的某个特定基团。本文膜体系包括 51

7、2个 CGDPPC 分子自组装 27ns成的双层膜,和 79663个 CG 水珠。体系放在 12.9×11.7×10.8nm 的方形盒子中。Fe O 颗粒是根据其晶体结构3 419,20构建的直径为 1.1nm 的球形纳米分子团簇,基于文献 建立了 Fe3O4颗粒分子力场。颗粒的表面疏水修饰用 MARITINI力场 C1珠子表示, 亲水修饰采用 Nda珠子表示。 Fe O3 4颗粒及表面修饰模型如图 1 所示。1.2 模拟方法本文的模拟盒子采用周期性边界条件,无修饰及亲水性颗粒模拟时间为 24ns,疏水性修饰颗粒模拟时间为 45ns。采用 NPT 系综,体系温度为 310K

8、,压强为 1atm。对于模拟带电颗粒的体系,在水相中加入足够量的平衡离子,以保持整个体系的电中性。为了方便后续讨论,这里定义膜平面 x-y 平面,垂直于 x-y 平面的轴为 z 轴。所有模拟过程均通过 GROMACS 完成。a 表面无修饰颗粒模型 b 表面修饰颗粒模型图1Fe3O4 纳米颗粒模型示意图2结果与讨论2.1 无修饰颗粒与膜作用结果分析图 2是无修饰颗粒与膜作用的平衡构象,为了表现清晰,体系中的水并未显示。由图可见,无修饰的颗粒将停留在水相中。图 3显示了水分子相对于颗粒中心的径向分布函数,从图中可以看到水分子在颗粒周围形成了多层的结构分布,在距离颗粒表面 2nm开始,曲线的波动逐渐

9、减弱,也就是进入了水的主体相区域。第一个峰值出现在离颗粒表面 0.5nm 处,峰值是主体相区值的近 2.5 倍。表面附近水密度的上升说明在这个尺寸条件下,Fe O 表面是亲水性的。3 42.52.01.51.00.50.00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0rnm图 2 无修饰 Fe O 颗粒与膜作用的平衡构象 图3Fe O 颗粒周围水的径向分布曲线3 4 3 42.2 亲水修饰颗粒与膜作用结果分析图 4显示了亲水修饰和亲水带电修饰 Fe O 颗粒与膜作用的运动轨迹、轨迹概率分3 4布及最终构象。由图可见亲水及亲水带电修饰的 Fe O 颗粒会被膜吸附,最终将停留在3 4膜表面

10、。从两种颗粒的运动轨迹和运动概率分布图发现,开始阶段带电的亲水修饰颗粒比不带电的亲水颗粒更快的吸附到膜表面,这是由于除了亲水作用的驱动外,与膜表面的静电作用也促进了吸附。而稳定后,带电的亲水颗粒却受到了静电排斥作用,因此,不带电的亲水颗粒最终将更靠近膜表面。8.2A亲水修饰8.0亲水带电修饰7.87.37.4 7.57.6 7.77.8 7.98.0znm7.6B7.47.27.4 7.5 7.6 7.7 7.8 7.9 8.00 5 10 15 20 25znmtnsa Fe O 颗粒运动轨迹 b 颗粒质心运动轨迹 z轴坐标柱状图 c 最终构象3 4图 4 亲水性修饰颗粒与膜作用轨迹构象图

11、A:亲水修饰 B:亲水带电修饰znmgrfrequencyfrenquency2.3 疏水修饰颗粒与膜作用结果分析本文分别模拟了疏水修饰和疏水带电修饰颗粒的穿膜情况,图 5的最终构象表明这两种颗粒均能与膜作用进而嵌入到膜内,图中中间虚线代表膜质心平面,两边虚线分别代表膜的上下表面,颗粒嵌入膜内是表面疏水修饰基与磷脂内部疏水尾作用决定的,带电颗粒在该尺寸内并没有引起膜结构的弯曲等变化。颗粒稳定后将停留在膜质心平面上21方,而不是像纯疏水颗粒 会停留在膜质心所在的平面,这进一步说明 Fe O 颗粒本身3 4是显亲水性的,其与同样显亲水性的磷脂头基作用,使颗粒并不能进一步向膜内靠近。疏水修饰颗粒和疏

12、水带电修饰颗粒最终稳定的位置分别为 5.25nm及 5.31nm,说明在该尺度下颗粒带电对颗粒的平衡构象并无较大影响。下文将依据颗粒的均方位移及单脂面积分析带电性对颗粒的扩散过程及对磷脂结构的影响。分子动力计算中用均方位移表示粒子位移平方的均值,均方位移可以反映出粒子的动态特性。根据定义,均方位移可以表示为:21MSD R t r t ?r0 BB A12 A 1211 1110 109 98 5.2 5.6 6.0 6.4 6.8 7.2 8 5.2 5.6 6.0 6.4 6.8 7.2znmznm7766554433220 1020 30400 1020 3040tnstnsa 疏水修饰

13、颗粒轨迹构象图 b 疏水带电修饰颗粒轨迹构象图图 5 疏水性修饰颗粒与膜作用轨迹构象图 A:颗粒质心运动轨迹 z轴坐标柱状图 B:最终构象式中,大括号表示平均值。根据爱因斯坦的扩散定律,有:22lim r t ?r0 6Dtt 式中,D为粒子的扩散系数,因此,当时间很长时,均方位移对时间曲线的斜率即为 6D。图 6为疏水修饰颗粒及疏水带电修饰颗粒在 z方向的均方位移曲线,表 1为通过曲线拟合得到的扩散系数。由图和表得知,纯疏水性颗粒进入膜的扩散系数最大,这是因为纯疏水颗粒的疏水性最强,与磷脂疏水尾作用势最大。疏水修饰 Fe O 颗粒的扩散系3 4数大于疏水带电修饰 Fe3O4颗粒的扩散系数,这

14、是由于带电修饰基在进入膜的过程中会受到磷脂膜表面带电颗粒作用的影响。图 7显示了,疏水修饰 Fe O 颗粒嵌入膜中后体3 4系的密度分布,从图中并为观察到在颗粒入膜的过程中引起的水分子渗入,膜的完整性znmfrequencyznmfrequency并未遭到破坏。4.012003.5疏水修饰10003.0疏水带电修饰2.58002.0Water600DPPC1.5Fe O NP400 3 41.00.52000.00-0.502 46 80 5 10 15 20 25 30tnsznm图 6 颗粒沿 z方向均方位移曲线 图 7 系统各成分 z 轴密度分布曲线表 1 不同类型颗粒穿膜扩散系数2颗粒

15、类型 扩散系数 D cm /sz?5疏水性颗粒 0.0744 ± 0.0315 ×10?50.0492 ± 0.0305 ×10疏水修饰 Fe O 颗粒3 4?5疏水带电修饰 Fe O 颗粒 0.0422 ± 0.0350 ×103 4Fe O 颗粒的入膜行为会导致膜表面形成瞬时孔的现象,可以通过颗粒与磷脂膜作3 4用一侧的单个磷脂分子面积的变化来体现。以磷脂分子头基质心为顶点,对膜表面进行Delaunay三角剖分,进而单个磷脂分子的面积可以直观地表现为 Voronoi tessellation 图,如图 8、9所示。当 Fe3O4颗

16、粒完全进入磷脂膜内部后,膜表面的入孔会自行修复,从图可以看出,Fe O 颗粒的嵌入会在其临近磷脂膜周围形成孔,远离颗粒的磷脂膜并未受3 4到明显影响。颗粒由于带电修饰所形成孔的大小并没有较大变化,可认为在该尺寸内,带电性对膜结构的影响并不明显。Rt3densitykg/m 图 8 疏水性修饰颗粒入膜 Voronoi图图 9 疏水带电修饰颗粒入膜 Voronoi图3 结论本文采用经典的 MD模拟方法对 Fe O 纳米颗粒与细胞膜之间的作用进行研究,分3 4析不同表面修饰的 Fe3O4颗粒与细胞膜作用的现象。得到以下结论:1 未经表面修饰的 Fe O 颗粒将停留在膜外水相中,通过颗粒周围水的径向分

17、布函3 4数表面 Fe O 颗粒在该尺寸下是显亲水性的。3 42 亲水修饰的 Fe3O4颗粒将逐渐被吸附到细胞膜表面,但并没有发现入膜现象。亲水带电修饰的 Fe O 颗粒比亲水修饰 Fe O 颗粒更快吸附到膜表面。3 4 3 43 疏水修饰 Fe3O4颗粒被膜表面吸附后将逐渐嵌入膜内,颗粒入膜的扩散系数为-5 20.0492 × 10 cm /s,疏水带电修饰 Fe O 颗粒的扩散系数小于疏水修饰 Fe O 颗粒的扩散3 4 3 4系数;颗粒的入膜导致瞬时孔的形成,修饰基的带电性在该尺度对孔大小的影响较小;颗粒的入膜行为并未引起水分子的渗入。参考文献1 Chang Jin. Prep

18、aration of B1-taeget Anticancer Drugs-immunological Magnetic AdriamycinNanoparticles and Its Evaluation in Vitro J. Chinese J Biomed Eng, 1996, 153:97-101.2 Torchilin V P. Drug Targeting J. Europ J Pharmaceutical Sci, 2000, 112:81-91.3 Reimer P, Weissleder R. Development and Experimental Application

19、 of Receptor-Specific MR ConstantMedia J. Der Radiologe, 1996, 362:153.4 Jordan A, Wust P, Scholz R, et al. Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers M. NewYork: Plenum Press, 1997:569 -575.5 Mornet S, Vekris A, Bonnet J, et al. DNA-Magnetic Nanocomposite Materials J. Mater Leter,200

20、0,423:183-188.6 Yoed Rabin, et al. Is Intracellular Hyperthermia Superior to Extracellular Hyperthermia in the ThermalSense J. Int J Hyperthermia, 2002, 183:194-202.7 Shinkai M, Yanase M, et al. Intracellular Hyperthermia for Cancer Using Magnetite Cationic Liposomes:in Vitro Study. Japanese Journal

21、 of Cancer Research, 1996, 8711:1179-1183.8 Zhang Yong, Kohler, et al. Surface Modification of Superparamegnetic Magnetite Nanoparticlesand theirIntracellular Uptake J. Biomaterials, 2002, 23:1553-1561.9 Jordan A, Wust P, Scholz R, et al. Cellular Uptake of Magnetic Fluid Particles and Their Effects onHuman Adenocarcinoma Cells Exposed