调控膜电荷和脂质种类研究氧化铁纳米颗粒对模拟细胞膜的作用

发布时间：2020-05-24 20:58

【摘要】：氧化铁纳米颗粒(NPs)及其复合材料是优异的吸附剂及催化剂,并具有超顺磁性和良好的生物相容性,能够进行各种功能化修饰,广泛应用于生物医疗的各个领域。氧化铁NPs普遍和多样化的应用极大地增加了 NPs与生物体直接接触的可能性。因此,研究氧化铁NPs与生物膜的相互作用对评价其对生物的安全性十分必要。真实细胞膜组分多样、结构复杂,具有不对称性及侧向异质性,并且膜整体电位为负但含有少量正电结构域。这些组分和结构特性与NP-膜相互作用密切相关。因此,本研究以膜上带电位点及脂质组成为切入点,以γ-Fe203NPs为研究对象,选取大单层囊泡(GUVs)和小单层囊泡(SUVs)作为模拟细胞膜,探讨NP-膜相互作用。通过调节带电脂质(阳离子脂质DOTAP和阴离子脂质DOPG)的加入量制备一系列不同电荷分布的模拟细胞膜。通过引入不同种类的脂质,如磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰丝氨酸(PS)、鞘磷脂(SM)以及胆固醇(Chol)制备一系列不同脂质组分的模拟细胞膜。模拟细胞膜中的带电位点对NP-膜相互作用产生影响。利用激光扫描共聚焦显微镜及石英晶体微天平(QCM)技术研究NPs对模拟细胞膜形态及完整性的影响。结果表明,当整体电位为负的模拟细胞膜中含有少量正电位点时,γ-Fe203 NPs能够在膜上发生粘附甚至引起膜破裂。即模拟细胞膜上的正电结构域为γ-Fe203 NPs的粘附提供了位点。并且与整体膜电位相比,膜中正电位点的数量决定了负电γ-Fe203 NPs引起的膜损伤程度。此外,利用荧光光谱扫描及广义极化(GP)值计算定量分析NPs对SUVs流动性的影响。结果表明,γ-Fe2O3NPs能够导致SUVs脂质有序性降低,膜流动性增加。利用红外光谱谱图分析NPs对脂质分子结构的影响。结果表明,γ-Fe203 NPs可以通过磷酸二酯及三甲胺基团与膜发生相互作用。模拟细胞膜中脂质种类不同也会导致NP-膜相互作用产生差异。QCM实验表明,尽管SUVs整体电位为负,脂质组分不同时,NP-膜相互作用也不相同。当膜中含有SM或Chol时,负电γ-Fe203NPs能够通过扩散接近膜,导致NPs在膜上发生粘附甚至引起膜破裂。而当膜中同时存在SM与Chol时,Chol能够与SM形成液体有序相(Lo)结构域。该膜结构域能够削弱NP-膜相互作用,增强膜的稳定性。此外,GP值计算结果表明,该液体有序相(Lo)结构域的存在能够维持膜的流动性,抑制,γ-Fe203NPs诱导的膜流动性增加。红外谱图表明,y-Fe203 NPs还可以通过酰胺基团、羟基等结构与膜发生相互作用。此外,当膜中同时引入正电位点及多种脂质组分时,QCM实验及GP值计算结果表明,负电γ-Fe203 NPs与膜之间的相互作用明显增强,NPs在膜上的粘附量增加,甚至能够引起膜破裂。这可能是因为膜上不仅含有正电位点,还含有丰富的脂质种类,γ-Fe203 NPs能够通过影响多种脂质分子结构来影响膜性质,显著增强了 NP-膜的相互作用。本研究揭示了 γ-Fe2O3 NPs与模拟细胞膜可能的作用机制,为预测γ-Fe203 NPs的环境行为和环境归趋提供依据,对了解其生物效应确认其对生物的安全性至关重要。
【图文】：

谱图,谱图,葡萄糖溶液,去离子水

３．１结果与讨论逡逑３．１．１邋Ｙ－Ｆｅ２0３邋ＮＰｓ及不同正电位点模拟细胞膜的性质逡逑ＸＲＤ光谱证实ｆ邋ｙ－Ｆｅ２０３邋ＮＰｓ的晶体结构（图３－１）。单个Ｙ－Ｆｅ２０３ＮＰ的平均逡逑直径为３１ｎｍ。ｙ－Ｆｅ２0３ＮＰｓ在去离子水中和０．１邋Ｍ葡萄糖溶液中的平均水合粒径逡逑为邋５４５．４±８２．９ｎｍ邋和邋６０５．９±５１．０ｎｍ。如图邋３－２Ａ邋所示，在邋ｐＨ３－丨０邋范围内，？ｙ－Ｆ＾Ｃｈ逡逑ＮＰｓ的Ｃ电位在去离子水和０．１邋Ｍ葡萄糖溶液中基本均为负值。而在实验ｐＨ逡逑７．４士０．１时，丫－Ｆｅ２0３邋ＮＰｓ的Ｃ电位在去离子水中为－７．５邋ｍＶ，在０．ＩＡ／葡荀糖中为逡逑－３２．５邋ｍＶ。并且因为Ｇ电位绝对值更大，所以ｙ－Ｆｅ２0３邋ＮＰｓ在０．１逦葡萄糖溶液逡逑中的分散更稳定［８５］。逡逑１６００－．逦逡逑１４００－逡逑？芑邋１２００－逡逑Ｓ逡逑—１０００－逡逑６００－１逦逦逦．逦逦逦．逦逦逦．逦逦逦．逦■逦１逡逑２０逦３０逦４０逦５０逦６０逦７０逡逑２６邋（°）逡逑图３－丨Ｙ－Ｆｅ２0３邋ＮＰｓ的ＸＲＤ谱图逡逑Ｆｉｇ．邋３－ｌ．ＸＲＤ邋ｏｆｙ－Ｆｅ２0３ＮＰｓ逡逑１７逡逑

葡萄糖溶液,去离子水,电位,正电位

Ｒｔａｐ邋ｖａｌｕｅｓ邋ａｔ邋ｐＨ邋７．４邋ｉ邋０．１逡逑３．１．２显微观察Ｙ－Ｆｅ２0３邋ＮＰｓ对不同正电位点膜形态及完整性的影响逡逑在显微镜下观察通过温和水化法制备的ＧＵＶｓ（图３－３）。ＧＵＶｓ直径在１０－逡逑１００逦范围内，并且不同值的ＧＵＶｓ形态与大小并无明显差异。逡逑Ｈｔａｐ邋＝邋０邋ｈ尸＝邋０．２逦？７；＾邋＝邋０．４邋Ｒｔａｐ－０－６邋化广0．？邋＾／＞＝＇邋0逡逑■■■■■■逡逑图３－３不同及值的ＧＵＶｓ的显微图像。每张图片的标尺均为５０邋｜ｉｍ逡逑Ｆｉｇ．邋３－３．邋Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋ＧＵＶｓ邋ｗｉｔｈ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋Ｒ／ａｐ邋ｖａｌｕｅｓ．邋Ｔｈｅ邋ｓｃａｌｅ邋ｂａｒ邋ｉｎ邋ｅａｃｈ邋ｉｍａｇｅ邋ｉｓ逡逑５０邋ｆｉｍ逡逑但是，不同如尸值的ＧＵＶｓ暴露于Ｙ－Ｆｅ２０３邋ＮＰｓ后差异明显（图３－４）。逡逑值越大，ＧＵＶｓ破裂越严重。不含正电位点的ＧＵＶｓＣＲｔｍ／＾０）大部分保持完整。逡逑图像中可见的黑灰色物质是团聚和沉降的Ｙ－Ｆｅ２０３邋ＮＰｓ，，几乎没有脂质碎片粘附逡逑到ＮＰｓ表面。这表明
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318.08

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