焦鳳軒 桑建兵 劉朝陽 李 洋

(河北工業(yè)大學(xué)機械工程學(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、疾病檢測和生物傳感等領(lǐng)域[1]。雖然NPs具有推動新技術(shù)的潛力，但先前的研究也表明了它們對人類健康的潛在風險。其中一個健康風險是空氣中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，穿透上皮細胞進入血流[3]。經(jīng)常吸入空氣中的NPs會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，可能對肺表面活性物質(zhì)層造成嚴重損傷。此外，在實驗研究中發(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對常見肺部活動的不良影響。

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]時達到0左右的表面張力而不會塌縮。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。呼吸過程中，肺泡表面積不斷擴大和壓縮，PS在空氣與水界面達到20～25 mN/m的平衡表面張力[7]。

實驗研究和計算研究[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。越來越多的基于分子動力學(xué)模擬的研究發(fā)現(xiàn)，當APL從0.49～0.55 nm2降至0.46～0.47 nm2時，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，在吸入時達到平衡值約23 mN/m，呼氣時約降至0。PS的主要成分DPPC在大約41攝氏度時經(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應(yīng)的粗?；愋蜑镃1(如圖 1)，肺表面活性劑膜的粗粒化模型使用DPPC(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個粗粒子組成，包括一個親水性的頭基 (NC3，PO4)，甘油酯 (GL1，GL2)和兩條疏水性的尾鏈 (C1A-C2AC3A-C4A，CAB-C2B-C3B-C4B)。粗粒化 POPG 分子由 12個 CG粒子組成，包括一個親水性的頭基(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碳碳雙鍵。CHOL分子由8個粗粒子組成，包括一個親水性的頭基 (ROH)，一個固醇環(huán)體(R1-R2-R3-R4-R5)和一個疏水性的尾部(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腳本進行粗粒化，DPPC：POPG：CHOL的摩爾比為7:3:1，每一層有1023個脂質(zhì)分子，然后通過旋轉(zhuǎn)和平移得到兩個單層膜。膜平面平行于系統(tǒng)的xy平面，膜法線方向為體系的z軸方向，兩個單層膜之間相距大約21 nm，一個25 nm×25 nm×21 nm的水盒被放置在兩個單層之間，水盒中大約有 100000個粗粒化的水粒子，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分子的頭基帶負電荷，因此用同樣數(shù)量的粗粒化鈉離子來取代水粒子，從而使整個系統(tǒng)呈電中性，在水盒存在時，脂質(zhì)的極性頭基朝向水相，然后將整個體系放置在一個25 nm×25 nm×60 nm的盒子中，此時盒子中存在大約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，對應(yīng)APL為0.48 nm2和 0.55 nm2，代表了人在呼吸時肺表面活性劑膜的收縮相和擴張相。首先脂質(zhì)單層體系在沒有放置金納米粒子的情況下單獨平衡 500 ns。當脂質(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)下運行750 ns的模擬。

本文所有的模擬均使用Gromacs5.0.7[12]軟件進行，模擬結(jié)果的可視化使用 VMD1.9.3[13]軟件進行，本文對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斷距離設(shè)置為 1.2 nm，且該作用在0.9～1.2 nm之間平滑地過渡到0以減少截斷噪音。對于庫侖力作用，截斷距離設(shè)置為1.2 nm。在平衡前，首先使用最陡下降算法對體系進行能量最小化。對所有的模擬，均使用蛙跳式(leapfrog)算法積分的牛頓運動方程，積分步長為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被用來檢測脂質(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。在沒有納米粒子的情況下，當單層膜達到平衡后，單層膜通過壓縮和膨脹會自發(fā)地達到 0和 23 mN/m的表面張力。計算得出表面張力為0的單層膜APL為 0.48 nm2，此時脂質(zhì)分子處在 LC相，表面張力為23 mN/m的單層膜APL為0.55 nm2，此時脂質(zhì)分子處在LC+LE相，張力減小時表面積減小了大約13%，由圖3可以看出，在張力較小時單層膜上的脂質(zhì)分子排布比張力較大時更加有序。這些結(jié)果表明活性劑單層膜在表面張力為 0時處在 LC相，并且當表面張力升高到23 mN/m時會轉(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時為液態(tài)收縮相，在23 mN/m時為液態(tài)收縮和液態(tài)擴張的混合相

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)用來計算和觀測單層膜的結(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)尾部絕對無序，1表示脂質(zhì)尾部絕對有序)，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，角括號表示取一段時間上的平均值。

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，這是因為POPG尾鏈中碳碳雙鍵的存在。另外，DPPC和POPG分子在APL較小的時候更有序。

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)單層作用的過程，可以看出在初始表面張力為0時，立方體狀和球狀A(yù)uNP可以穿過脂質(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)，隨著模擬的進行，這個半囊泡并未從脂質(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，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)單層張力較大時不易穿過。

圖4 在沒有金納米粒子時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)相互作用的動力學(xué)過程

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 APL較大時，不同形狀的納米粒子對有序參數(shù)的影響較小。當 APL為0.48 nm2時，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DPPC和POPG分子平均有序參數(shù)的影響(實線代表APL=0.48 nm2，虛線代表APL=0.55 nm2)

圖7顯示了平均有序參數(shù)隨時間的變化，可以看出在APL較小時，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)無明顯變化。在APL較大時，有序參數(shù)均無太大變化，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較小時的范德華作用略大于在 APL較大時的作用，因為APL較小時脂質(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

本文通過粗?；肿觿恿W(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，未能穿過單層。立方體狀和球狀的金納米粒子對磷脂分子有序參數(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，對未來關(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間的變化