纳米颗粒穿越细胞膜的物理机制及相关仿生研究

In recent years, the mechanism of cellular uptake of nanoparticles has attracted considerable attention because understanding how nanoparticles cross cellular membranes is key to the biomedical applications of nanoparticles and to the management of nanoparticles safety issue. Despite many successful achievements, there are still some unsolved problems. Nanoparticles can enter cells either through direct penetration (usually for small-sized nanoparticles) or via endocytosis. In this project, we will use molecular dynamics simulations combined with the biophysical theory of cellular membranes, to investigate the physical mechanism of nanoparticles crossing cellular membranes and design novel nanoparticles by mimicking the cell-penetrating peptides. The research consists of four parts: i) We will explore the relationship between the force spectroscopy and the free energy profile during the penetration of nanoparticles. ii) We will systematically study the influence of cellular membrane on nanoparticles internalization, including the effects of the composition and the sub-domain (such as the raft) of cellular membranes. iii) When passing through the membrane, nanoparticles may generate transient holes which is associated with cytotoxicity. We will unveil the underlying physical mechanism and present the novel design of nanoparticles with high penetration ratios and low toxicity by mimicking the cell-penetrating peptides (via nanoparticle functionalization). iv) We will investigate the mechanism of cooperative entry of nanoparticles into the cell, with focus on carbon nanotubes and graphene nanosheets. Taken together, this research would be helpful to better understand the novel physics at the nano-bio interface, and provides practical guidance for the design of nanoparticles with high efficiency (highly permeable and targeted) and low toxicity.

理解纳米颗粒穿越细胞膜的机制，对纳米颗粒在生物医药方面的应用有重要意义。因此，相关研究业已成为纳米科技领域的前沿热点之一。尽管已取得了不少进展，但该领域一些基本的物理问题仍未得到很好的解决。本项目拟利用分子动力学模拟，结合膜的生物物理理论，深入研究纳米颗粒穿越细胞膜（包括“渗入”和“内吞”两种方式）的物理机制，并开展相关的仿生研究。研究内容包括：探索纳米颗粒以“渗入”方式穿越细胞膜时，力谱与自由能剖面之间的关系；研究不同种类的膜、以及膜上不同的结构域对穿越的影响；研究纳米颗粒穿膜时破坏细胞膜的物理机制，并借鉴“细胞穿膜多肽”穿膜而不破坏膜的机制开展仿生研究，探索具高通透性、低破坏性的纳米颗粒的理论设计；研究多个纳米颗粒以“协同作用”被细胞内吞过程的物理机制。本项目既有助于人们理解纳米-生物界面上新的物理现象，也可为人们设计具备高效（高通透性、高靶向性）低毒特性的纳米颗粒，提供理论借鉴。

理解纳米颗粒穿越细胞膜的机制，对生物纳米科技的发展有重要意义。本项目运用基于Helfrich自由能的连续介质力学建模、分子动力学模拟、有限元分析及数值计算等多种理论方法，对纳米颗粒穿越细胞膜的物理机制进行了比较系统的研究。研究内容包括四个部分：纳米颗粒分别以“刺入”和“内吞”两种方式进入细胞膜时的新现象及背后的物理；BAR蛋白诱导细胞膜成管的机制（及其对纳米颗粒内吞的影响）；生物系统的分子动力学模拟的新算法开发。主要研究成果包括：1）在国际上第一次从连续介质力学角度研究了带尖端的纳米颗粒刺穿细胞膜（诱导膜孔形成）的物理机制，并阐明了纳米颗粒的尖锐程度、曲率异质性、尺寸、结合强度对刺破细胞膜的影响，为设计可以从细胞内涵体中逃逸的纳米颗粒提供了理论借鉴。2）通过分子动力学模拟发现，一种新型准二维纳米材料——磷烯，在插入细胞膜时，可以对细胞膜表面的磷脂分子进行大规模抽取并因此破坏细胞膜的完整性。该发现有助于人们理解磷烯的生物毒性及设计基于磷烯的抗菌纳米材料。3）在国际上第一次研究了纳米颗粒在考虑了膜骨架的复合细胞膜上的内吞现象，发现细胞膜骨架在大的纳米颗粒（尺寸约为100纳米）的内吞现象中具有重要作用。4）建立了包含颗粒间范德华相互作用的多纳米颗粒协同胞吞的模型，修正了前人关于协同胞吞的理论模型，并解释了此前的理论模型和实验观测间的矛盾。5）纳米颗粒以内吞方式进入细胞膜时，需要BAR蛋白诱导细胞膜成管来介导。我们深入研究了BAR蛋白诱导细胞膜成管的过程并阐明了相关物理机制。6）对大的生物系统、长时间的生物过程（如纳米颗粒在细胞膜上的内吞过程），现有的分子动力学模拟会遇到构象采样不足的困难。我们提出了一种新的多尺度分子动力学模拟方法——自适应驱动的多尺度模拟，可以有效增强生物系统在构象空间的采样，同时保留系统的全原子精度。