焦鳳軒 桑建兵 劉朝陽(yáng) 李 洋

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300401)

目前納米顆粒(nanoparticles，NPs)已廣泛地應(yīng)用于納米醫(yī)學(xué)、藥物傳遞、疾病檢測(cè)和生物傳感等領(lǐng)域[1]。雖然NPs具有推動(dòng)新技術(shù)的潛力，但先前的研究也表明了它們對(duì)人類健康的潛在風(fēng)險(xiǎn)。其中一個(gè)健康風(fēng)險(xiǎn)是空氣中NPs的攝取[2]，NPs與肺部的相互作用可以改變呼吸過(guò)程中肺部成分的正常特性?？諝庵蓄w粒物被吸入的概率主要由顆粒物的大小決定，小顆粒物(如直徑小于100 nm的顆粒物)更容易被吸入肺部深處，穿透上皮細(xì)胞進(jìn)入血流[3]。經(jīng)常吸入空氣中的NPs會(huì)增加肺部老化的可能性，導(dǎo)致肺部功能障礙，并可誘發(fā)嚴(yán)重的肺部疾病，如哮喘、肺癌、急性呼吸窘迫綜合征等。吸入的NPs與肺表面活性物質(zhì)單層(pulmonary surfactant，PS)相互作用，可能對(duì)肺表面活性物質(zhì)層造成嚴(yán)重?fù)p傷。此外，在實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，吸入的NPs可能與表面活性成分相互作用，抑制肺功能正常，誘發(fā)肺部疾病[4]。因此，需要進(jìn)行分子水平的研究，以探索吸入NPs引起的PS的結(jié)構(gòu)變化，并幫助追蹤這些NPs對(duì)常見(jiàn)肺部活動(dòng)的不良影響。

PS主要由磷脂(飽和和不飽和)、膽固醇和少量蛋白質(zhì)組成，它們共同在肺泡內(nèi)的氣-水界面形成穩(wěn)定的單層[5]。大約一半的脂質(zhì)由飽和脂質(zhì)(DPPC)組成，這是一種飽和的磷脂，在生理溫度下可以緊緊地包裹在單分子層中，使PS單分子層能夠在壓縮[6]時(shí)達(dá)到0左右的表面張力而不會(huì)塌縮。其他的表面活性劑脂質(zhì)，包括不飽和脂質(zhì)(POPG)能使單分子層流體化。呼吸過(guò)程中，肺泡表面積不斷擴(kuò)大和壓縮，PS在空氣與水界面達(dá)到20～25 mN/m的平衡表面張力[7]。

實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算研究[8]提供了關(guān)于PS單分子層的各種生物物理現(xiàn)象的信息，如相行為變化、表面張力、表面壓力、單位脂質(zhì)面積 (area-per-lipid，APL)、PS組分密度等。越來(lái)越多的基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)APL從0.49～0.55 nm2降至0.46～0.47 nm2時(shí)，氣水界面的PS單分子層由液態(tài)冷凝相(liquid condensed，LC)和液態(tài)膨脹相(liquid expansion，LE)[9]共存變?yōu)橐簯B(tài)冷凝(LC)相。同樣，單層膜的表面張力與APL[10]成正比，在吸入時(shí)達(dá)到平衡值約23 mN/m，呼氣時(shí)約降至0。PS的主要成分DPPC在大約41攝氏度時(shí)經(jīng)歷了從液態(tài)膨脹相和液態(tài)冷凝相(LE+LC)共存到LC相的相變。在生理溫度下，PS中存在的不飽和脂肪的相變溫度通常比飽和脂肪的相變溫度低，因此處于LE相。

1 材料和方法

本文使用的金納米粒子對(duì)應(yīng)的粗?；愋蜑镃1(如圖 1)，肺表面活性劑膜的粗?；Ｐ褪褂肈PPC(二棕櫚酰磷脂酰膽堿)，POPG(1-棕櫚?；?2-油酰基磷酸酰甘油)和 CHOL(膽固醇)3種脂質(zhì)分子混合組成。粗?；?DPPC分子由 12個(gè)粗粒子組成，包括一個(gè)親水性的頭基 (NC3，PO4)，甘油酯 (GL1，GL2)和兩條疏水性的尾鏈 (C1A-C2AC3A-C4A，CAB-C2B-C3B-C4B)。粗?；?POPG 分子由 12個(gè) CG粒子組成，包括一個(gè)親水性的頭基(GL0，PO4)，甘油酯 (GL1，GL2)和兩條疏水性的尾鏈 (C1A-D2A-C3A-C4A，CAB-C2B-C3B-C4B)，其中一條尾鏈上有一個(gè)碳碳雙鍵。CHOL分子由8個(gè)粗粒子組成，包括一個(gè)親水性的頭基 (ROH)，一個(gè)固醇環(huán)體(R1-R2-R3-R4-R5)和一個(gè)疏水性的尾部(C1-C2)。水分子W、鈉離子NA+和氯離子CL－均由一個(gè)粗粒子表示，初始的單層膜的模型如圖2所示。

圖1 四種不同形狀的金納米粒子

圖2 表面活性劑膜及其組成部分的粗?；Ｐ?/p>

本文使用 insasne.py腳本構(gòu)建初始雙層膜模型[11]，SP-B蛋白質(zhì)使用 martini.py腳本進(jìn)行粗粒化，DPPC：POPG：CHOL的摩爾比為7:3:1，每一層有1023個(gè)脂質(zhì)分子，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)和平移得到兩個(gè)單層膜。膜平面平行于系統(tǒng)的xy平面，膜法線方向?yàn)轶w系的z軸方向，兩個(gè)單層膜之間相距大約21 nm，一個(gè)25 nm×25 nm×21 nm的水盒被放置在兩個(gè)單層之間，水盒中大約有 100000個(gè)粗?；乃Ｗ?，然后在水盒中加入濃度為0.15 mol/L的NaCl，這與生理鹽水的濃度近似，由于POPG分子的頭基帶負(fù)電荷，因此用同樣數(shù)量的粗粒化鈉離子來(lái)取代水粒子，從而使整個(gè)系統(tǒng)呈電中性，在水盒存在時(shí)，脂質(zhì)的極性頭基朝向水相，然后將整個(gè)體系放置在一個(gè)25 nm×25 nm×60 nm的盒子中，此時(shí)盒子中存在大約34 nm厚的真空，最后將金納米粒子放置在單層膜上方小于1 nm的位置處。

在健康的人體中肺表面活性劑膜表面張力保持在20～25 mN/m的范圍內(nèi)，稱為平衡表面張力。在呼氣時(shí)肺泡表面壓縮，表面活性劑膜的表面張力減小到0。本文構(gòu)建了兩種具有不同初始表面張力的單層體系，分別為0和23 mN/m，對(duì)應(yīng)APL為0.48 nm2和 0.55 nm2，代表了人在呼吸時(shí)肺表面活性劑膜的收縮相和擴(kuò)張相。首先脂質(zhì)單層體系在沒(méi)有放置金納米粒子的情況下單獨(dú)平衡 500 ns。當(dāng)脂質(zhì)單層體系平衡后，將金納米粒子與脂質(zhì)單層膜放置在一起，在正則系統(tǒng)下運(yùn)行750 ns的模擬。

本文所有的模擬均使用Gromacs5.0.7[12]軟件進(jìn)行，模擬結(jié)果的可視化使用 VMD1.9.3[13]軟件進(jìn)行，本文對(duì)體系的所有方向均使用周期性邊界條件 (periodic boundary condition，PBC)。范德華相互作用的截?cái)嗑嚯x設(shè)置為 1.2 nm，且該作用在0.9～1.2 nm之間平滑地過(guò)渡到0以減少截?cái)嘣胍?。?duì)于庫(kù)侖力作用，截?cái)嗑嚯x設(shè)置為1.2 nm。在平衡前，首先使用最陡下降算法對(duì)體系進(jìn)行能量最小化。對(duì)所有的模擬，均使用蛙跳式(leapfrog)算法積分的牛頓運(yùn)動(dòng)方程，積分步長(zhǎng)為20 fs，在NVT(恒定粒子數(shù)、體積和溫度)系統(tǒng)下使用v-rescale方法進(jìn)行溫度耦合，使得體系逐步升溫至310 K(接近DPPC分子的相變溫度)，耦合常數(shù)為1 ps，脂質(zhì)分子、水和離子、蛋白質(zhì)、金納米粒子均獨(dú)立耦合。在NPT(恒定粒子數(shù)、壓力和溫度)系統(tǒng)下使用表面張力耦合方法進(jìn)行壓力耦合，表面張力分別設(shè)置為0和23 mN/m，耦合常數(shù)為1 ps，在xy方向壓縮系數(shù)為5.0×10－7MPa－1，在z方向?qū)毫刂茷?。

2 結(jié)果與討論

APL被用來(lái)檢測(cè)脂質(zhì)相變和單層膜是否平衡，也可以判斷單層膜上脂質(zhì)分子排列的疏密程度。在沒(méi)有納米粒子的情況下，當(dāng)單層膜達(dá)到平衡后，單層膜通過(guò)壓縮和膨脹會(huì)自發(fā)地達(dá)到 0和 23 mN/m的表面張力。計(jì)算得出表面張力為0的單層膜APL為 0.48 nm2，此時(shí)脂質(zhì)分子處在 LC相，表面張力為23 mN/m的單層膜APL為0.55 nm2，此時(shí)脂質(zhì)分子處在LC+LE相，張力減小時(shí)表面積減小了大約13%，由圖3可以看出，在張力較小時(shí)單層膜上的脂質(zhì)分子排布比張力較大時(shí)更加有序。這些結(jié)果表明活性劑單層膜在表面張力為 0時(shí)處在 LC相，并且當(dāng)表面張力升高到23 mN/m時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化到LC+LE相。

圖3 兩種不同初始表面張力的活性劑單層膜的快照(俯視圖)。在0時(shí)為液態(tài)收縮相，在23 mN/m時(shí)為液態(tài)收縮和液態(tài)擴(kuò)張的混合相

表面活性劑單層是由飽和脂質(zhì)和不飽和脂質(zhì)共同組成的，脂質(zhì)的有序參數(shù)用來(lái)計(jì)算和觀測(cè)單層膜的結(jié)構(gòu)取向，平均脂質(zhì)有序參數(shù)在-0.5～1之間變化(-0.5表示脂質(zhì)尾部絕對(duì)無(wú)序，1表示脂質(zhì)尾部絕對(duì)有序)，脂質(zhì)分子的有序參數(shù)

其中，Sz表示有序參數(shù)，θ是脂質(zhì)尾部粒子之間的鍵與膜法線方向的夾角，角括號(hào)表示取一段時(shí)間上的平均值。

DPPC和POPG分子的sn1尾鏈和sn2尾鏈在膜表面張力為0和23 mN/m時(shí)的有序參數(shù)如圖4所示。從圖中可以看出，在相同的表面張力下，DPPC比POPG更加有序，這是因?yàn)镻OPG尾鏈中碳碳雙鍵的存在。另外，DPPC和POPG分子在APL較小的時(shí)候更有序。

此前的研究[14]表明，疏水性納米粒子可以被壓縮狀態(tài)的脂質(zhì)單層包裹。圖5顯示了金納米粒子與具有不同初始表面張力的脂質(zhì)單層作用的過(guò)程，可以看出在初始表面張力為0時(shí)，立方體狀和球狀A(yù)uNP可以穿過(guò)脂質(zhì)單層并附著于單層下方，破壞了單層的結(jié)構(gòu)。AuNP使得單層向下凸起形成了“半囊泡”結(jié)構(gòu)，隨著模擬的進(jìn)行，這個(gè)半囊泡并未從脂質(zhì)單層上脫落，并且脂質(zhì)與納米粒子的相互作用使得納米粒子從單層中吸附脂質(zhì)分子，進(jìn)而導(dǎo)致了脂質(zhì)單層上孔隙的形成，使得磷脂分子的有序參數(shù)減小。由于金納米粒子具有疏水性表面，所以脂質(zhì)分子的尾部朝向納米粒子表面。立方體狀納米粒子至少有一個(gè)尖角，它與磷脂層的初始接觸面積較小，容易穿透磷脂層，這與之前的一項(xiàng)研究結(jié)果類似[15]。而盤狀和棒狀的AuNP均未能穿透單層，而是嵌入了單層中。在初始表面張力為23 mN/m時(shí)，四種納米粒子均嵌入單層中，未能穿透單層。由此可以看出納米粒子在脂質(zhì)單層張力較大時(shí)不易穿過(guò)。

圖4 在沒(méi)有金納米粒子時(shí)DPPC和POPG分子的有序參數(shù)

圖5 不同形狀的金納米顆粒與脂質(zhì)單層(初始表面張力分別為0和23 mN/m)相互作用的動(dòng)力學(xué)過(guò)程

圖6為脂質(zhì)單層中DPPC分子和POPG分子尾鏈有序參數(shù)，可以看出當(dāng) APL較大時(shí)，不同形狀的納米粒子對(duì)有序參數(shù)的影響較小。當(dāng) APL為0.48 nm2時(shí)，與棒狀和盤狀A(yù)uNP作用的磷脂分子有序參數(shù)比與球狀和立方體狀A(yù)uNP作用的有序參數(shù)大的多，這是由于立方體狀和球狀的納米粒子在單層上凸起形成了半囊泡，大量磷脂分子吸附在粒子表面，從而使得有序參數(shù)變小。

圖6 四種不同形狀的金納米粒子對(duì)DPPC和POPG分子平均有序參數(shù)的影響(實(shí)線代表APL=0.48 nm2，虛線代表APL=0.55 nm2)

圖7顯示了平均有序參數(shù)隨時(shí)間的變化，可以看出在APL較小時(shí)，與立方體狀和球狀納米粒子作用的磷脂分子的有序參數(shù)逐漸減小，且與球狀納米粒子作用的磷脂有序參數(shù)減小得更快，在100 ns左右便達(dá)到穩(wěn)定，而與立方體狀納米粒子作用的磷脂有序參數(shù)在350 ns才達(dá)到穩(wěn)定。與盤狀和棒狀納米粒子作用的磷脂有序參數(shù)無(wú)明顯變化。在APL較大時(shí)，有序參數(shù)均無(wú)太大變化，且與立方體狀納米粒子作用的磷脂有序參數(shù)最小。

圖7 DPPC分子尾鏈平均有序參數(shù)隨時(shí)間的變化

圖8顯示了四種納米粒子與脂質(zhì)分子間范德華作用的變化，范德華作用都較為穩(wěn)定。APL較小時(shí)的范德華作用略大于在 APL較大時(shí)的作用，因?yàn)锳PL較小時(shí)脂質(zhì)分子排布更致密，所以有更多的脂質(zhì)分子與納米粒子作用，且立方體狀納米粒子與脂質(zhì)分子的范德華作用最大，棒狀納米粒子與脂質(zhì)分子的范德華作用最小。

3 結(jié)論

本文通過(guò)粗?；肿觿?dòng)力學(xué)模擬的方法，研究了不同形狀的金納米粒子與磷脂單層膜之間的相互作用。結(jié)果表明，立方體狀和球狀的金納米粒子在較小的初始表面張力下可以穿過(guò)磷脂單層并附著于單層下方，盤狀和棒狀的金粒子在兩種表面張力下均嵌入磷脂單層，未能穿過(guò)單層。立方體狀和球狀的金納米粒子對(duì)磷脂分子有序參數(shù)的影響更加顯著。本文的研究從分子水平上表明了吸入金納米粒子可能產(chǎn)生的后果，對(duì)未來(lái)關(guān)于金納米粒子作為污染物及藥物載體研究提供了參考。

圖8 四種不同形狀的金納米粒子與脂質(zhì)單層的范德華作用隨時(shí)間的變化