納米顆粒穿越細胞膜的物理機制及相關仿生研究

《納米顆粒穿越細胞膜的物理機制及相關仿生研究》是依託浙江大學，由修鵬擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米顆粒穿越細胞膜的物理機制及相關仿生研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：修鵬
• 項目類別：面上項目

項目摘要

理解納米顆粒穿越細胞膜的機制，對納米顆粒在生物醫藥方面的套用有重要意義。因此，相關研究業已成為納米科技領域的前沿熱點之一。儘管已取得了不少進展，但該領域一些基本的物理問題仍未得到很好的解決。本項目擬利用分子動力學模擬，結合膜的生物物理理論，深入研究納米顆粒穿越細胞膜（包括“滲入”和“內吞”兩種方式）的物理機制，並開展相關的仿生研究。研究內容包括：探索納米顆粒以“滲入”方式穿越細胞膜時，力譜與自由能剖面之間的關係；研究不同種類的膜、以及膜上不同的結構域對穿越的影響；研究納米顆粒穿膜時破壞細胞膜的物理機制，並借鑑“細胞穿膜多肽”穿膜而不破壞膜的機制開展仿生研究，探索具高通透性、低破壞性的納米顆粒的理論設計；研究多個納米顆粒以“協同作用”被細胞內吞過程的物理機制。本項目既有助於人們理解納米-生物界面上新的物理現象，也可為人們設計具備高效（高通透性、高靶向性）低毒特性的納米顆粒，提供理論借鑑。

結題摘要

理解納米顆粒穿越細胞膜的機制，對生物納米科技的發展有重要意義。本項目運用基於Helfrich自由能的連續介質力學建模、分子動力學模擬、有限元分析及數值計算等多種理論方法，對納米顆粒穿越細胞膜的物理機制進行了比較系統的研究。研究內容包括四個部分：納米顆粒分別以“刺入”和“內吞”兩種方式進入細胞膜時的新現象及背後的物理；BAR蛋白誘導細胞膜成管的機制（及其對納米顆粒內吞的影響）；生物系統的分子動力學模擬的新算法開發。主要研究成果包括：（1）在國際上第一次從連續介質力學角度研究了帶尖端的納米顆粒刺穿細胞膜（誘導膜孔形成）的物理機制，並闡明了納米顆粒的尖銳程度、曲率異質性、尺寸、結合強度對刺破細胞膜的影響，為設計可以從細胞內涵體中逃逸的納米顆粒提供了理論借鑑。（2）通過分子動力學模擬發現，一種新型準二維納米材料——磷烯，在插入細胞膜時，可以對細胞膜表面的磷脂分子進行大規模抽取並因此破壞細胞膜的完整性。該發現有助於人們理解磷烯的生物毒性及設計基於磷烯的抗菌納米材料。（3）在國際上第一次研究了納米顆粒在考慮了膜骨架的複合細胞膜上的內吞現象，發現細胞膜骨架在大的納米顆粒（尺寸約為100納米）的內吞現象中具有重要作用。（4）建立了包含顆粒間范德華相互作用的多納米顆粒協同胞吞的模型，修正了前人關於協同胞吞的理論模型，並解釋了此前的理論模型和實驗觀測間的矛盾。（5）納米顆粒以內吞方式進入細胞膜時，需要BAR蛋白誘導細胞膜成管來介導。我們深入研究了BAR蛋白誘導細胞膜成管的過程並闡明了相關物理機制。（6）對大的生物系統、長時間的生物過程（如納米顆粒在細胞膜上的內吞過程），現有的分子動力學模擬會遇到構象採樣不足的困難。我們提出了一種新的多尺度分子動力學模擬方法——自適應驅動的多尺度模擬，可以有效增強生物系統在構象空間的採樣，同時保留系統的全原子精度。