软磷脂修饰纳米颗粒与仿生磷脂膜之间相互作用的机理探索

TThe endocytosis mechanism and toxicity origin of nanoparticles have attracted great attention in resent drug delivery research. The nanoparticle biocompatibility can be improved significantly by phospholipid membrane encapsulation. We choose the membrane-coated nanoparticle as the particle model to explore the intermembrane interaction mechanism, trying to solve the following scientific questions. 1) Salt response of fusion probability between the coating membrane and supported lipid bilayer; 2) Using lipid alkyl chain length and the double bond number to regulate lipid lateral diffusion rate and fusion rate; 3) Using membrane charge density and charge distribution to regulate fusion dynamics; 4) Changing membrane adhesion energy to nanoparticle to adjust the coupling between the leaves and hence the membrane fusion pathway. Based on the supported lipid bilayer and giant lipid vesicle model membrane systems, combining fluorescence microscopy and electrochemistry characterization methods, the fusion intermediate and dynamics can be studied from different length scales. This research can provide valuable insights into the minimization strategy to reduce the biomimetic nanoparticle toxicity, the adjustable way to modify the nanoparticle endocytic pathway/rate, and optimization method to improve the drug delivery efficiency.

纳米颗粒的内吞机理和毒性成因已成为药物输运中研究的热点问题。纳米颗粒外层包裹磷脂膜后，提高了纳米颗粒的生物相容性。我们选择"磷脂膜包裹的纳米颗粒"作为纳米颗粒模型，研究膜与膜之间的相互作用，尝试1）用盐调控双性离子型磷脂包裹的纳米颗粒与支撑膜融合发生的概率；2）通过改变磷脂的链长度和链中双键的个数来改变膜的流动性，调整融合的时间进程；3)改变修饰膜的带电量和电荷分布来改变融合速率4）改变纳米颗粒仿生膜与纳米颗粒的粘滞力来调整内外层之间的耦合作用，调整膜的融合方式。基于仿生支撑膜和巨囊泡体系，利用荧光显微镜和电化学方法，从不同尺度观测仿生纳米颗粒膜与仿生膜的融合中间态及其动力学过程，探索fusion的可控机理。而该课题的开展和完成，将为最小化仿生纳米颗粒的生物毒性、控制纳米颗粒在不同种类细胞中的内吞方式和吞噬速率，优化仿生膜修饰胶体的载药效率提供有价值的参考。

本项目从实验与理论方向，开展了磷脂修饰纳米颗粒与生物膜间作用的机理研究。深入考察了静电、氢键等弱相互作用在生物膜融合与交换等过程中发挥的协同与竞争作用。首先，基于仿生生物膜体系，探索了膜融合与交换中的物理机制。系统考察了膜界面再组织行为的主要作用力与调控因素。结合界面动力学与体相效应学表征手段发现，跨膜磷脂交换总量主要由两膜所带的异电量决定；升高温度或降低盐浓度可加速跨膜交换过程，但却分别降低与提高了囊泡的最大吸附量。理论分析获得，磷脂膜间的最大接触面积由胶体吸附与磷脂跨膜交换速率竞争决定。开发了正、倒置支撑膜实验表征平台，发现颗粒在不同溶液高度的生物膜表面的吸附量存在差异，由颗粒浓度的高度梯度分布现象造成。纳米颗粒聚集体较相同质量的纳米颗粒具有更高的流体力学半径，造成实际浓度梯度分布与膜吸附差异性较低。基于内、外渗透压施加方法实现了渗透压效应和特异性溶质浓度效应的分离。发现与渗透压相关的化学势能主要以跨膜定向水扩散的形式耗散。因此相对于表面粘滞力，渗透压对吸附囊泡的形变与融合影响较小。其次，通过聚合物高分子模拟了生物膜表面的周边、锚定蛋白，深入研究了它们的界面性质、及可能对膜融合产生的影响。比较石英电子微天平不同谐频发现，随着检测液层厚度的提高，界面溶液的有效粘滞系数与聚乙二醇链弛豫时间逐渐降低。表明生物界面的较高有效粘滞性可能会抑制纳米颗粒与磷脂膜的靠近。再次，通过活体实验研究了非特异性的纳米颗粒富集与内吞。证实通过瘤高通透滞留效应可使粒子有效富集于癌变组织。最后，探索了内涵体内吞相关的生物膜分裂的物理机制。给出了两叶异质性与膜-衬底面积不匹配是触膜分裂的两类条件。