纳米粒子与细胞膜的相互作用：纳 米毒性及药物传递 岳同涛，陈小明，李晔，张现仁 有机无机复合材料国家重点实脸蜜 北京化工大学
纳米粒子与细胞膜的相互作用：纳 米毒性及药物传递 岳同涛, 陈小明，李晔，张现仁 有机无机复合材料国家重点实验室 北京化工大学
糖历白 碳胎双分 层 蛋白质分子 脂分子 四 生物膜是组成细胞的重要成分，因此研究生物膜的结构性质对于 理解众多细胞活动及靶向药物的设计至关重要。 计算机模拟方法在研究生物膜微观结构与性质方面展现出了巨大 的优势
生物膜是组成细胞的重要成分，因此研究生物膜的结构性质对于 理解众多细胞活动及靶向药物的设计至关重要。 计算机模拟方法在研究生物膜微观结构与性质方面展现出了巨大 的优势
纳米毒性(Nanotoxicology) Lysosome Receptor Nanotube blocks the Mitochondrion pores of cell membrane Nanowire punctures Pore cell membrane Nanotube damages cell membrane DNA ROS Binding nanotube to receptor Nanoparticle damages cell membrane by hyperthermia ROS attack mitochondria,membrane,DNA 随着纳米材料逐渐由实验室研究到工业应用，纳米材料的生物学 效应，纳米材料的生物安全性，或纳米毒性日益引起人们的 关注
随着纳米材料逐渐由实验室研究到工业应用，纳米材料的生物学 效应，纳米材料的生物安全性，或纳米毒性日益引起人们的 关注。 纳米毒性（Nanotoxicology ）
一、受体介导的刚性纳米粒子与生 物膜的相互作用 Nanotechnology Present a Janus Face! 0 如何在降低纳米材料细胞毒性的基 础上提高其传输药物的效率？ Huajian Gao et al,PNAS (2005) McNerny et al.Nanomed.and Nanobio.(2010)
一、受体介导的刚性纳米粒子与生 物膜的相互作用 Nanotechnology Present a Janus Face! 如何在降低纳米材料细胞毒性的基 础上提高其传输药物的效率？ Huajian Gao et al, PNAS (2005) McNerny et al. Nanomed. and Nanobio. (2010)
四种不同的生物膜的反应状态 受体介导的内吞 128国 224国 27 纳米粒子的粘附 纳米粒子的穿透 L,12年 224s 3.2 纳米粒子诱导的 生物膜破裂 96 Yue and Zhang,Soft Matter,2011,7,9104
四种不同的生物膜的反应状态 受体介导的内吞 纳米粒子的粘附 纳米粒子的穿透 纳米粒子诱导的 生物膜破裂 Yue and Zhang, Soft Matter, 2011, 7, 9104
受体介导的纳米粒子内吞 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -D.=4.0nm 10002000300040005000 simulation time(ns) 受体介导的内吞过程是生物膜弯曲能与受体-配体结合能之间相互 竞争的过程 T.Yue and X.Zhang,Soft Matter,2011,7,9104
受体介导的纳米粒子内吞 0 1000 2000 3000 4000 5000 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 the extent of wrapping simulation time (ns) D p =4.0nm A 受体介导的内吞过程是生物膜弯曲能与受体 -配体结合能之间相互 竞争的过程 T. Yue and X. Zhang, Soft Matter, 2011, 7, 9104
纳米粒子的粘附与穿透 0.7 adhesion 0.6 penetration 05 5 WwW八n 4 3 0.2 105 2 w 0.1 adhesion penetration 0.0 10002000300040005000 0 10002000300040005000 simulation time(ns)】 simulation time(ns) 生物膜表面张力的不同以及不同的受体-配体结合方式会导致纳米 粒子的粘附与穿透两种过程。 T.Yue and X.Zhang,Soft Matter,2011,7,9104
纳米粒子的粘附与穿透 生物膜表面张力的不同以及不同的受体 -配体结合方式会导致纳米 粒子的粘附与穿透两种过程。 T. Yue and X. Zhang, Soft Matter, 2011, 7, 9104
纳米粒子诱导的生物膜破裂 在同样条件下纳米粒子的引入 with NP 确实可以诱导生物膜的破裂 without NP 1000 2000 3000 simulation time(ns) 12 without NP B 9 ·-D=4.0nm,N=18 4-D=6.0nm,N=40 D,-6.0nm,N=18 3 较小的纳米粒子尺寸、以及较 高的配体密度可以提高纳米粒 3 子的细胞毒性。 0.8 1.0 12 1.6 PLNPA T.Yue and X.Zhang,Soft Matter,2011,7,9104
纳米粒子诱导的生物膜破裂 在同样条件下纳米粒子的引入 确实可以诱导生物膜的破裂 较小的纳米粒子尺寸、以及较 高的配体密度可以提高纳米粒 子的细胞毒性。 T. Yue and X. Zhang, Soft Matter, 2011, 7, 9104
相图 17A, 1.7B, endocytosis 1.6 endocytosis 1.6 1.5 adhesion 1.5 penetration adhesion 1.4 penetration 1.3 9 1.2 ◆ rupture rupture 1.2 1.1 4 1.1 3.03.54.04.55.05.56.06.5 3.03.54.04.55.05.56.06.5 diameter(nm) diameter(nm) 合 生物膜的表面张力、纳米粒子的尺寸、配体-受体的结合方式是影 响生物膜反应状态的重要因素。 T.Yue and X.Zhang,Soft Matter,2011,7,9104
相图 生物膜的表面张力、纳米粒子的尺寸、配体-受体的结合方式是影 响生物膜反应状态的重要因素。 T. Yue and X. Zhang, Soft Matter, 2011, 7, 9104
小结 模拟结果显示生物膜存在四种不同的反应状态：受体 介导的内吞、纳米粒子的粘附、纳米粒子的穿透以及 纳米粒子诱导的生物膜破裂。 。 模拟结果证明纳米粒子的尺寸、纳米粒子表面的配体 密度、受体-配体的结合方式、以及磷脂膜的表面张 力是影响膜反应过程的重要因素。 本工作研究揭示了特定物质以及病毒进入细胞的动力 学路径，并提出了纳米粒子细胞毒性的新的潜在机理 ,从而为药物载体生物材料的设计提供指导。 T.Yue and X.Zhang,Soft Matter,2011,7,9104
• 模拟结果显示生物膜存在四种不同的反应状态：受体 介导的内吞、纳米粒子的粘附、纳米粒子的穿透以及 纳米粒子诱导的生物膜破裂。 • 模拟结果证明纳米粒子的尺寸、纳米粒子表面的配体 密度、受体-配体的结合方式、以及磷脂膜的表面张 力是影响膜反应过程的重要因素。 • 本工作研究揭示了特定物质以及病毒进入细胞的动力 学路径，并提出了纳米粒子细胞毒性的新的潜在机理 ，从而为药物载体生物材料的设计提供指导。 小结 T. Yue and X. Zhang, Soft Matter, 2011, 7, 9104