應用模型細胞膜探究二氧化硅納米顆粒對細胞膜結構和相態(tài)的影響.pdf

1、納米二氧化硅是使用量最多的納米材料之一，具有較高的化學穩(wěn)定性，在制藥、醫(yī)療、生物科技等方面具有廣泛應用，這增加了生物體與其接觸的機會。有研究報導塵肺病等疾病的產生與長期接觸二氧化硅納米顆粒(SiO2 NP)有關，但是其致病機理仍不明確。SiO2 NP與細胞膜的直接接觸是導致細胞毒性的重要途徑。因此，本論文對SiO2 NP與細胞膜的相互作用進行了深入研究。
　　細胞膜結構的完整性和相態(tài)的流動性是細胞進行正常生命活動的必要條件，本論文

2、基于細胞膜這兩個與功能相關的結構特點探究了納米顆粒對細胞膜完整性和相態(tài)流動性的影響。由于細胞的代謝活動會干擾對納米顆粒與細胞膜界面作用的認識，本論文采用人工生物膜——大單層囊泡(GUV)和小單層囊泡(SUV)作為細胞膜模型，研究不同分散狀態(tài)以及表面修飾的SiO2 NP對細胞膜的影響。此外，本論文還從RBL-2H3細胞中提取了質膜囊泡(GPMV)作為介于真實細胞膜和人工生物膜之間的細胞膜模型，從分子水平討論了納米顆粒改變細胞膜相態(tài)的機理，

3、進一步完善了關于納米顆粒與細胞膜界面作用的認識，為納米材料的安全使用提供重要信息。
　　1.SiO2等納米氧化物對模擬細胞膜結構和流動性的影響
　　本研究比較了SiO2 NP及其它四種常用的納米氧化物Al2O3、Fe2O3、TiO2、ZnO與模擬細胞膜的界面作用。實驗結果表明，在靜電作用下Al2O3和SiO2 NP破壞了帶有相反電性的細胞膜完整性。然而Fe2O3、TiO2和ZnO NP并沒有對細胞膜造成明顯的破壞。將相態(tài)指示

4、探針Laurdan加入模擬細胞膜中，其熒光光譜表明SiO2 NP能夠使細胞膜向膠態(tài)化轉變。而Al2O3和ZnO NP僅使電性相反的細胞膜向膠態(tài)化轉變。通過傅里葉紅外光譜技術(FT-IR)探究納米顆粒對磷脂分子結構的影響，結果表明Al2O3和SiO2 NP會結合磷脂分子的羰基或者磷酸基團形成氫鍵。其中，SiO2 NP與細胞膜之間的氫鍵作用更強。因此，氫鍵作用使Al2O3和SiO2 NP破壞了細胞膜的結構，改變了細胞膜的相態(tài)。
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5、.不同分散狀態(tài)和表面修飾的SiO2 NP對磷脂層的影響
　　由于SiO2 NP對細胞膜造成的損傷更為嚴重，選取不同分散狀態(tài)及表面修飾的SiO2 NP，深入探討了SiO2 NP對模擬細胞膜GUV結構和相態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn)靜電吸引促進顆粒與磷脂分子之間形成氫鍵，幾種不同的SiO2 NP均對相反電性GUV的形態(tài)破壞更嚴重，但對電性相同的GUV破壞作用較弱。增加SiO2 NP的暴露時間和劑量加劇了膜損傷。此外，由于納米顆粒易沉積增大了顆粒

6、物與GUV的接觸機率，快速沉降的SiO2 NP粉末對GUV破壞程度要強于穩(wěn)定分散的SiO2 NP膠體。相態(tài)指示探針Laurdan的熒光光譜表明負電的SiO2 NP引起細胞膜的膠態(tài)化;而經過表面修飾帶正電的SiO2 NP對正電性和電中性的GUV的相態(tài)影響不明顯，但是能夠使電負性的GUV向膠態(tài)移動。
　　3.SiO2 NP吸附腐殖酸和蛋白質后對細胞膜的影響
　　SiO2 NP排放進入環(huán)境后會帶來健康風險。SiO2 NP在自然界中

7、容易吸附腐殖酸(HA)等天然有機物，在人體體液中則容易吸附蛋白質等生物分子，這會改變顆粒的表面性質和生物毒性，從而影響SiO2 NP與細胞膜之間的相互的作用。因此牛血清蛋白(BSA)和腐殖酸被用來處理SiO2 NP(BSA-SiO2 NP和HA-SiO2NP)，探究吸附BSA或HA后的SiO2 NP對模擬細胞膜完整性和相態(tài)的影響。顯微觀察表明，與裸顆粒相比BSA-和HA-SiO2 NP對GUV的破壞作用較慢，而BSA-SiO2 NP對G

8、UV的破壞作用最弱。這是因為BSA和HA覆蓋了SiO2 NP表面的Si-OH以及SiO-，從而減弱了SiO2 NP與磷脂分子之間的相互作用。石英晶體微天平測定表明BSA-SiO2 NP吸附在未破裂的SUV表面，而HA-SiO2 NP和裸顆粒則迅速引起SUV破裂。吸附BSA和HA后的SiO2 NP對細胞膜相態(tài)的改變不同于裸顆粒，其中HA-SiO2 NP使細胞膜膠態(tài)化最顯著，而BSA-SiO2 NP對細胞膜的相態(tài)影響最弱。因此，蛋白質能夠有

9、效地減弱SiO2 NP對細胞膜完整性和相態(tài)的影響。
　　4.SiO2 NP對質膜囊泡相態(tài)的影響
　　由于人工生物膜的組成成分與真實細胞膜存在差異，本論文從RBL-2H3細胞中提取質膜囊泡作為介于真實細胞膜和人工生物膜之間的細胞膜模型，并研究細胞膜分子組成在SiO2 NP改變細胞膜相態(tài)過程中的作用。研究發(fā)現(xiàn)，用甲基-β-環(huán)糊精去除膜內膽固醇的GPMV與SiO2 NP接觸后，膜相態(tài)向膠態(tài)移動更顯著。實驗使用PFA/DTT和NEM

10、兩種起泡劑刺激細胞起泡制備磷脂組成不同的GPMV。其中PFA/DTT起泡劑會減少細胞膜中的腦磷脂(PE)和磷酸肌醇(PI)的含量，NEM起泡劑制備的GPMV磷脂組分接近原細胞膜。實驗結果表明，去除PE和PI的GPMV暴露在SiO2 NP中其相態(tài)向膠態(tài)化轉變更顯著。此外，溫度升高時GPMV受SiO2 NP影響后膠態(tài)化更嚴重。
　　由于細胞生命活動需要隔離的胞內空間和流動態(tài)的細胞膜來支持膜蛋白并控制物質進出，對細胞膜完整性和流動性的破