納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用

顧 寧，李 洋

東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，南京210096

納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用

顧 寧，李 洋

東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，南京210096

納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在納米顆粒與細(xì)胞相互作用的研究中，顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的相關(guān)研究，對(duì)揭示納米顆粒的生物效應(yīng)是至關(guān)重要的。納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的影響有很多種，主要體現(xiàn)在對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及對(duì)膜上生物大分子（蛋白質(zhì)等）功能的影響等方面。這里綜述了近年來納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的相關(guān)研究成果，分別從顆粒的自身物理化學(xué)性質(zhì)（尺寸、形狀、表面形貌、親疏水性質(zhì)、表面電荷、特異性修飾等）、顆粒與細(xì)胞作用的環(huán)境因素，以及外界能量對(duì)顆粒與細(xì)胞膜作用的調(diào)控三個(gè)方面出發(fā)，就納米顆粒作用對(duì)細(xì)胞膜影響的問題分別進(jìn)行了分析和總結(jié)。

納米顆粒；細(xì)胞膜；物理化學(xué)性質(zhì)；環(huán)境影響；外場(chǎng)調(diào)控

0 引 言

納米顆粒在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。細(xì)胞是生命體的基本活動(dòng)單元，作為分隔細(xì)胞內(nèi)外的物理屏障,細(xì)胞膜不僅保證了細(xì)胞的完整性，還參與進(jìn)行信息和能量傳遞等多種細(xì)胞活動(dòng)。因此，納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的相關(guān)研究，對(duì)于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)納米顆粒的生物效應(yīng)，具有非常重要的意義。

目前，納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的研究，主要集中在顆粒的膜上吸附、跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)及其在作用過程中對(duì)細(xì)胞膜及膜上生物分子的影響等方面。細(xì)胞膜是多種生物分子的組裝體，納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用可以表現(xiàn)為納米顆粒對(duì)成膜的脂質(zhì)分子及膜上其他生物大分子（蛋白等）的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響。

顆粒的作用會(huì)導(dǎo)致膜生物分子結(jié)構(gòu)的變化，比如納米顆粒的吸附會(huì)導(dǎo)致脂質(zhì)分子的重組，顆粒表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)刺激膜上肌動(dòng)蛋白的伸展等。顆粒作用所導(dǎo)致的生物分子的變化可能是不可逆的，比如某些納米顆粒會(huì)導(dǎo)致磷脂分子氧化等；也可能是可逆變化，比如納米顆粒的嵌入可能刺激膜離子通道結(jié)構(gòu)的變化等。

顆粒作用對(duì)成膜分子所產(chǎn)生的影響最終可能導(dǎo)致細(xì)胞膜整體的變化，包括膜的結(jié)構(gòu)變化和性質(zhì)變化兩個(gè)方面。

1）納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用會(huì)導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)的變化，比如，納米顆粒的吸附可能導(dǎo)致膜厚度、有序度、單脂分子面積等的變化，某些納米顆粒的作用甚至還可能在膜上形成孔洞。細(xì)胞膜的這些結(jié)構(gòu)變化最終可能會(huì)影響細(xì)胞的活性。細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)變化還可以體現(xiàn)為膜曲率的變化。顆粒的膜上吸附可能造成膜的彎曲，而膜泡的曲率變化與諸多細(xì)胞活動(dòng)密切相關(guān)。以研究較多的內(nèi)吞機(jī)制為例，細(xì)胞的內(nèi)吞機(jī)制包括吞噬方式和受體介導(dǎo)的內(nèi)吞方式等[1]。內(nèi)吞機(jī)制也是納米顆?？缒み\(yùn)輸?shù)闹饕问?。不管以何種方式內(nèi)吞，細(xì)胞膜本身都將經(jīng)歷一個(gè)強(qiáng)烈的曲率變化過程，同時(shí)也是膜脂質(zhì)分子重構(gòu)的過程[2]。一般來說，細(xì)胞的內(nèi)吞過程需要能量和某些蛋白的輔助，不同蛋白介導(dǎo)不同的內(nèi)吞行為。而納米顆粒因其不同理化性質(zhì)對(duì)細(xì)胞膜的刺激，可能引發(fā)細(xì)胞不同的內(nèi)吞機(jī)制，雖然已經(jīng)有大量的試驗(yàn)和理論分析對(duì)此進(jìn)行了研究，但仍然存在著許多問題：比如納米顆粒的吸附如何影響相關(guān)膜蛋白輔助膜彎曲，從而形成內(nèi)吞小泡；吞噬過程中脂質(zhì)分子又經(jīng)歷了怎樣的變化過程，等等。

2）納米顆粒作用于細(xì)胞膜時(shí)，導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)變化的同時(shí)，往往也會(huì)改變細(xì)胞膜的性質(zhì)。納米顆粒的作用可能導(dǎo)致磷脂膜的相行為發(fā)生變化[3]。帶電顆粒的吸附可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜上不同磷脂分子的分相，相應(yīng)的結(jié)果可能會(huì)對(duì)細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生影響[4]。納米顆粒的作用還可能影響磷脂膜的其他一些性質(zhì)，比如表面張力[5]、側(cè)向張力[6]、跨膜勢(shì)[7]、擴(kuò)散系數(shù)[8]等參數(shù)。對(duì)于細(xì)胞膜性質(zhì)變化的分析，有助于進(jìn)一步理解納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用機(jī)理。

引起上述各種細(xì)胞膜響應(yīng)的因素很多，大致可以分為三個(gè)方面：納米顆粒自身物理化學(xué)性質(zhì)所產(chǎn)生的影響、環(huán)境因素的影響，以及外界能量調(diào)控的影響。這里就這三方面因素對(duì)納米顆粒與細(xì)胞膜作用的影響，總結(jié)了近年來的一些相關(guān)研究成果，并對(duì)以后研究中可能需要關(guān)注的若干問題，進(jìn)行初步的討論與分析。

1 影響納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的因素

1.1 納米顆粒自身的物理化學(xué)性質(zhì)

納米顆粒是一種通過物理或化學(xué)結(jié)合力組成的、相對(duì)穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體。它們處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，是典型的介觀系統(tǒng)。材料在進(jìn)入納米尺度時(shí)，其物理-化學(xué)特性較之宏觀尺度材料，會(huì)發(fā)生很大變化。納米顆粒自身獨(dú)特的理化性質(zhì)是影響納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的首要因素[9]。目前研究中所涉及的納米顆粒的性質(zhì)主要包括：尺寸、形狀、表面形貌、結(jié)晶度（crystallinity）[10,11]、親疏水性質(zhì)、表面電荷性質(zhì)、表面特異性修飾、聚集態(tài)[12,13]、顆粒濃度[14]等。而在真實(shí)的體系中，納米顆粒作用對(duì)細(xì)胞膜的影響可能是上述某一種因素起主導(dǎo)作用，也可能是多種因素共同作用的結(jié)果。下面對(duì)已有研究中關(guān)注較多的幾種性質(zhì)分別作簡單的總結(jié)。

1.1.1 尺寸

尺寸效應(yīng)是所有納米顆粒相關(guān)研究中最受關(guān)注的一個(gè)方面。在研究中發(fā)現(xiàn)，小尺寸納米顆粒的作用可能會(huì)引起細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)。在顆粒吸附細(xì)胞膜的過程中，納米顆?？赡軙?huì)氧化組成細(xì)胞膜的脂質(zhì)分子[15]和蛋白質(zhì)[16]，從而對(duì)細(xì)胞的活性造成損害。此類作用的原因，多是由于納米顆粒的高表面能性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致組成細(xì)胞的生物大分子的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。對(duì)于同種納米顆粒而言，尺寸越小，其表面能可能越高，對(duì)生物分子的氧化作用可能就越強(qiáng)烈。

除了納米顆粒與成膜分子之間的化學(xué)作用所導(dǎo)致的生物毒性之外，從單純的物理作用角度看，納米顆粒的尺寸因素所導(dǎo)致的細(xì)胞響應(yīng)機(jī)制，也是需要研究的問題[9]。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，表面改性的納米顆粒與細(xì)胞膜作用，存在著嵌入膜內(nèi)的作用方式[3,17]。顆粒的嵌入降低了磷脂膜的彎曲系數(shù)，并影響膜的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，比如單脂頭基面積等[13]，并且，細(xì)胞膜的這些性質(zhì)的變化會(huì)因嵌入膜內(nèi)顆粒的尺寸變化而有所不同。嵌入的納米顆粒在膜內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)情況，也與顆粒的尺寸有關(guān)。隨著顆粒尺寸的增加，納米顆粒的擴(kuò)散作用呈減小的趨勢(shì)[18]。

除了上述類似擴(kuò)散的跨膜方式以外，目前已經(jīng)被普遍認(rèn)知的納米顆粒的跨膜方式，是通過細(xì)胞的內(nèi)吞機(jī)制進(jìn)入胞內(nèi)。不僅不同尺寸的納米顆粒所導(dǎo)致的內(nèi)吞機(jī)制存在著差異[1]，即使是對(duì)于同一種內(nèi)吞方式，尺寸變化所導(dǎo)致的細(xì)胞對(duì)納米顆粒的吞噬量也可能不同[19,20]。納米顆粒尺寸因素導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)吞的差異，與顆粒在細(xì)胞膜表面的吸附能[21]，以及細(xì)胞膜上的內(nèi)吞輔助蛋白對(duì)不同尺寸異物的響應(yīng)機(jī)制密切相關(guān)[1]。

通過以往的研究可以看出，不同尺寸的納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的影響可能是不同的，這些影響可能會(huì)直接或間接地影響細(xì)胞的活性。盡管可通過表面包覆等手段控制小尺寸顆粒的高表面能等因素所導(dǎo)致的細(xì)胞毒性[22]，但納米顆粒因單純的尺寸因素所導(dǎo)致的細(xì)胞毒理性問題，在研究中也是不容忽視的，此類問題在任何納米級(jí)微粒的應(yīng)用中，都應(yīng)該首先考慮。

1.1.2 形狀

隨著納米顆粒形貌調(diào)控技術(shù)的發(fā)展，納米顆粒的形狀因素對(duì)顆粒與細(xì)胞作用的影響越來越受到關(guān)注。細(xì)胞膜對(duì)不同形狀納米顆粒的響應(yīng)存在著差異。在顆粒與細(xì)胞作用中，細(xì)胞膜功能和膜上分子的運(yùn)動(dòng)都會(huì)不同程度地受到所吸附的納米顆粒形狀變化的調(diào)控，進(jìn)而可能影響細(xì)胞對(duì)納米顆粒的內(nèi)吞作用[23]。近期的一些研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的球形納米藥物載體相比較，鏈狀納米顆粒作為藥物釋放載體，能夠增加藥物在血液中的停留時(shí)間，更有利于藥物的緩釋[24]。其他一些試驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果，長圓柱納米膠束載體有利于藥物在血液中的長效循環(huán)[25]。

上述納米顆粒能夠在體內(nèi)長效循環(huán)的關(guān)鍵因素，在于顆粒能否不被巨噬細(xì)胞吞噬。一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，納米顆粒能否啟動(dòng)巨噬細(xì)胞的吞噬行為，很大程度上取決于顆粒的形狀因素。但從微觀上看，啟動(dòng)巨噬細(xì)胞吞噬的因素，不僅與納米顆粒的整體形狀，更與顆粒在細(xì)胞膜上附著點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)這些納米顆粒吸附在膜表面時(shí)，可以看到細(xì)胞膜上相應(yīng)位置的肌動(dòng)蛋白形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu)，從而能夠觸發(fā)巨噬細(xì)胞的吞噬行為。在這些試驗(yàn)中，尺寸因素僅僅決定了納米顆粒能否被細(xì)胞膜完全包裹[26]。

此外，顆粒的形狀因素對(duì)細(xì)胞膜及膜上蛋白的影響，還表現(xiàn)在細(xì)胞對(duì)納米顆粒的內(nèi)吞量上，但在形狀對(duì)內(nèi)吞作用的影響趨勢(shì)上所得到的一些試驗(yàn)結(jié)論似乎存在著分歧。圓柱形顆粒內(nèi)化量取決于顆粒自身的長徑比，長徑比為3的納米顆粒的內(nèi)化量是與其同等體積的球形顆粒內(nèi)化量的4倍[27]。而在其他一些研究中發(fā)現(xiàn)，金納米顆粒通過膜上受體介導(dǎo)的內(nèi)吞過程，卻隨著顆粒長徑比的降低而顯著增加[20]。其中的差異，或許是因?yàn)轭w粒的其他因素也可能會(huì)影響細(xì)胞膜曲率變化的緣故，比如，顆粒表面的化學(xué)修飾和顆粒自身的機(jī)械彈性等因素，也同樣會(huì)影響顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用結(jié)果。納米顆粒形狀因素對(duì)顆粒的組織靶向效率同樣存在著影響，橢圓盤形狀納米顆粒的靶向效率比球形顆粒要高[28]。非球形顆粒的高靶向性是由于非球形顆粒與細(xì)胞膜作用時(shí)，顆粒在膜上的吸附能力更強(qiáng)所造成的，已有一些理論工作對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)的闡述[29,30]。

納米顆粒的形狀因素引起的生物學(xué)效應(yīng)，多與細(xì)胞膜吸附時(shí)的曲率變化和膜上蛋白質(zhì)在吸附附著點(diǎn)的結(jié)構(gòu)變化相關(guān)，這部分研究還尚在探索階段。

1.1.3 表面形貌

細(xì)胞在不同形貌納米顆粒表面吸附的研究由來已久。由于微納尺度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與機(jī)體內(nèi)細(xì)胞生長的自然環(huán)境相似，近年來，隨著微加工工藝的不斷深入，有關(guān)納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建以及對(duì)細(xì)胞行為影響的研究迅速增加，并逐漸形成一個(gè)熱點(diǎn)方向[9]。各種材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（突起或凹陷）和特征不盡相同，主要包括結(jié)構(gòu)尺寸、密度和特定幾何形狀等。細(xì)胞能夠感應(yīng)納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，表面結(jié)構(gòu)的微小改變可能引起細(xì)胞膜應(yīng)答的巨大變化，主要也是體現(xiàn)在細(xì)胞膜形態(tài)變化，以及膜上與細(xì)胞膜形態(tài)相關(guān)的蛋白質(zhì)（肌動(dòng)蛋白等）的結(jié)構(gòu)變化等方面。

在材料表面形貌對(duì)細(xì)胞吸附影響的相關(guān)研究中，對(duì)于表面結(jié)構(gòu)尺寸因素的研究較多。結(jié)構(gòu)尺寸的變化可能會(huì)刺激細(xì)胞骨架發(fā)生變化。已有研究中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)高度不明顯的納米點(diǎn)表面能夠抑制細(xì)胞在上面的吸附[31]；而形貌結(jié)構(gòu)更高些的材料表面，能夠促進(jìn)吸附在其表面上的細(xì)胞的形態(tài)變化，主要表現(xiàn)為細(xì)胞膜上張力纖維的增多，這會(huì)加速細(xì)胞的延伸[32]；當(dāng)進(jìn)一步增高表面結(jié)構(gòu)時(shí)，張力纖維的變化反而變得不太明顯，但與平坦基底上的對(duì)照組相比，結(jié)構(gòu)表面附著的細(xì)胞，其偽足數(shù)量更多[33]。

不僅是表面結(jié)構(gòu)的尺寸因素，細(xì)胞膜對(duì)表面結(jié)構(gòu)的密度變化也具有識(shí)別能力[34]。與大結(jié)構(gòu)間距相比，小間距表面結(jié)構(gòu)的材料，更容易加速細(xì)胞在其上面的擴(kuò)展速度[35]。

表面結(jié)構(gòu)的特定幾何形狀同樣會(huì)對(duì)吸附在材料表面的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。表面拓?fù)湫螤畹淖兓軌蛘{(diào)節(jié)細(xì)胞膜的肌動(dòng)蛋白纖維的排列方式，從而導(dǎo)致細(xì)胞骨架的張力變化[36]。

材料表面結(jié)構(gòu)對(duì)吸附其上的細(xì)胞還可能存在破壞作用。在近期的一些研究中發(fā)現(xiàn)，修飾在基底上的納米顆粒，會(huì)導(dǎo)致在基底上吸附的支撐膜的曲率發(fā)生變化；顆粒尺寸的變化甚至可能導(dǎo)致支撐膜結(jié)構(gòu)的破損[37]。其他一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)也得到了類似的結(jié)果，在細(xì)胞吞噬過程中，一定表面結(jié)構(gòu)的納米材料可能會(huì)使得吸附其上的細(xì)胞膜受損，表現(xiàn)為細(xì)胞骨架在吞噬過程中發(fā)生破裂現(xiàn)象[38]。

除了通過微加工工藝構(gòu)造表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，材料的特異性修飾也會(huì)導(dǎo)致材料表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。經(jīng)過表面修飾的材料，其表面形貌對(duì)吸附的細(xì)胞也存在著影響，這與材料表面修飾基團(tuán)的化學(xué)組成及其機(jī)械彈性緊密相關(guān)，兩者共同作用，共同影響細(xì)胞膜或蛋白質(zhì)的吸附行為[37]。

納米材料表面形貌的生物效應(yīng)的相關(guān)研究，對(duì)于某些生物體系研究方法的合理應(yīng)用，也是非常重要的。支撐膜技術(shù)作為一種生物載體和試驗(yàn)手段，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到試驗(yàn)研究中，比如生物傳感器等研究[39]，但附在剛性基底上的支撐膜，本身屬于軟物質(zhì)，很容易受到支撐基底表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)基片表面結(jié)構(gòu)影響不容忽視時(shí)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可能存在著各種問題[40]。

總之，納米材料表面形貌因素對(duì)材料與細(xì)胞作用的影響，與細(xì)胞膜與膜上蛋白質(zhì)在表面結(jié)構(gòu)上的吸附密切相關(guān)，但由于影響材料表面形貌的因素很多，其導(dǎo)致的細(xì)胞效應(yīng)也非常復(fù)雜，這方面的研究至今還沒有定論。

1.1.4 親疏水性質(zhì)

親疏水性質(zhì)是納米顆粒的重要物理性質(zhì)。以材料制備為例，親疏水因素會(huì)影響納米顆粒的組裝行為，一些納米結(jié)構(gòu)的自組裝過程就是在顆粒的親疏水性驅(qū)動(dòng)下完成的。對(duì)于載藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以通過改變顆粒表面的親疏水性質(zhì)，改變顆粒的不同裝載位置。疏水顆粒嵌入載藥雙層膜泡的內(nèi)部[3,41]，親水顆粒吸附在載體雙層膜泡的表面或內(nèi)腔[41,42]；不同親水程度的修飾，可能會(huì)影響納米顆粒與磷脂膜最終形成的組裝體的性質(zhì)，比如粘彈性等[43]。親疏水作用也是推動(dòng)細(xì)胞諸多分子活動(dòng)正常進(jìn)行的重要因素，脂質(zhì)分子組裝成膜，蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)與脂質(zhì)分子的相互作用等活動(dòng)都有親疏水作用的參與。

同樣的，在納米顆粒與細(xì)胞膜的相互作用中，顆粒的親疏水性也扮演著非常重要的角色。已有許多研究結(jié)果表明，疏水納米顆粒與細(xì)胞作用時(shí)，能夠嵌入到細(xì)胞膜的疏水內(nèi)部[8]。納米顆粒的嵌入也可能會(huì)引起膜脂質(zhì)分子的疏水匹配行為[5]，顆粒的尺寸決定了脂質(zhì)分子疏水匹配的方式。嵌入顆粒尺寸大于細(xì)胞膜尺寸，會(huì)導(dǎo)致正疏水匹配，膜相應(yīng)部分變厚；嵌入顆粒尺寸小于細(xì)胞膜尺寸，會(huì)導(dǎo)致負(fù)疏水匹配，膜相應(yīng)部分變薄。對(duì)于雙層膜而言，疏水匹配可能導(dǎo)致膜雙層的不對(duì)稱，從而造成磷脂膜不同程度的彎曲[2]。疏水納米顆粒的嵌入還可能直接導(dǎo)致細(xì)胞膜性質(zhì)的變化，比如，納米顆粒的嵌入會(huì)影響細(xì)胞膜表面張力，進(jìn)而可能影響那些受到膜張力控制的通道蛋白的功能[44]。而當(dāng)疏水顆粒經(jīng)過表面的親水化修飾之后，顆粒與膜的作用方式由嵌入變成了吸附[8,45]。除了上述考慮材料整體的表面情況之外，在制備中也可以對(duì)材料表面進(jìn)行區(qū)域性的親疏水修飾[46]。Balazs等人[47]模擬了表面區(qū)域化親疏水的納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用情況。模擬中發(fā)現(xiàn)，顆粒的疏水部分會(huì)嵌入細(xì)胞膜內(nèi)，而親水部分暴露在膜外的水相中。當(dāng)多個(gè)顆粒發(fā)生聚集時(shí)，顆粒的作用可能會(huì)在膜上形成一個(gè)親水孔，從而導(dǎo)致膜表面發(fā)生破裂。上述現(xiàn)象表明，可能通過顆粒表面的親水化修飾，達(dá)到調(diào)節(jié)納米顆粒與細(xì)胞膜作用方式的目的。

1.1.5 表面電荷性質(zhì)

靜電作用廣泛存在于自然界中，在許多相關(guān)領(lǐng)域的科研及生產(chǎn)實(shí)踐中，有關(guān)帶電微粒的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)的研究越來越受到重視。諸如一些細(xì)胞行為，比如對(duì)磷脂-DNA復(fù)合體的吞噬[48]，以及病毒蛋白的內(nèi)化過程[49]等，靜電作用在其中都起了重要的作用。

細(xì)胞膜本身是柔性的分子組裝體，與離子相比，納米顆粒與柔性界面的相互作用更為復(fù)雜。已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，帶電顆粒與細(xì)胞相互作用時(shí)，顆粒的吸附能夠引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的變化。以PAMAM dendrimer納米顆粒為例，表面帶電的納米顆粒會(huì)通過在膜上穿孔的方式跨膜，但不同于中性顆粒的是，在實(shí)驗(yàn)中觀察到帶電顆粒作用留下的可能孔洞會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)液的外滲，從而造成細(xì)胞膜根本性的結(jié)構(gòu)損傷[50,51]。帶電納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的擾動(dòng)作用具有較為普遍的意義[52]，在其他一些帶電納米顆粒 (包括帶電脂質(zhì)體、多肽、表面修飾正電的金納米顆粒[53]和硅土顆粒)與磷脂膜 (包括人工膜泡[54]、脂質(zhì)體[55]及細(xì)胞膜[56])作用的實(shí)驗(yàn)，以及一些相關(guān)的計(jì)算機(jī)模擬研究中[57,58]，都觀察到了類似顆粒導(dǎo)致膜擾動(dòng)的現(xiàn)象。

不同成分的帶電顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用存在著差異，這與帶電顆粒自身的性質(zhì)有關(guān)。比如，與柔性納米顆粒相比，剛性顆?？赡軙?huì)引起細(xì)胞膜較大的形變[59]。即使對(duì)于相同成分的納米顆粒，不同帶電顆粒所導(dǎo)致的生物效應(yīng)同樣存在著差異[60]。以純硅納米顆粒、磷酸化硅納米顆粒、氨基化硅納米顆粒這三種體系為例，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，三種顆粒的作用對(duì)細(xì)胞吞噬效率、細(xì)胞增殖及細(xì)胞周期的影響會(huì)依次增大。這種差別來自納米顆粒表面修飾的不同基團(tuán)導(dǎo)致表面所帶電荷密度的差異[61]，以及對(duì)輔助膜彎曲的膜上蛋白質(zhì)的影響差異[62]等方面。過去的一些研究，主要集中在帶電顆粒與帶相反電性的磷脂膜之間的相互作用方面，涉及帶電顆粒與中性膜的研究較少。然而在最近的一些研究中發(fā)現(xiàn)，吸附在中性磷脂膜上的帶電顆粒，能夠?qū)е履そY(jié)構(gòu)局部有序度的變化[63,64]。同時(shí)，磷脂膜的相行為也會(huì)受到帶電顆粒吸附的影響，正電性顆粒導(dǎo)致磷脂膜的流相變化，負(fù)電性顆粒導(dǎo)致磷脂膜的膠相變化[59]。帶電顆粒與生物膜間的這些復(fù)雜行為，引起了研究者的廣泛關(guān)注，有關(guān)帶電顆粒吸附或內(nèi)化行為的文章也越來越多。盡管如此，鑒于生物行為的復(fù)雜性和目前實(shí)驗(yàn)條件的局限性，這些現(xiàn)象背后蘊(yùn)含的分子機(jī)制和物理解釋還很難給出清晰的定論。

1.1.6 表面特異性修飾

納米顆粒的表面修飾不僅可以在一定程度上改變粒子的物理化學(xué)性質(zhì)（如之前所涉及的納米顆粒的親疏水和表面電荷等性質(zhì)，都可以通過表面修飾的方法實(shí)現(xiàn)），也帶給納米粒子新的功能，如透膜性、靶向性、智能響應(yīng)性和體內(nèi)長效循環(huán)等。這里所說的特異性修飾，主要指后者。

1）透膜性。一些研究者發(fā)現(xiàn)，通過改變表面修飾的方法，也可能控制納米顆粒的跨膜行為。以彼此間隔的形式在金納米顆粒表面涂上負(fù)電荷配合基和疏水配合基，可以使納米顆粒直接穿入細(xì)胞而不會(huì)在細(xì)胞上留下洞穴，從而不會(huì)引起細(xì)胞的死亡。如果這些配合基在納米顆粒表面是隨意排列的，那么即使是涂上相同數(shù)量的配合基，這些顆粒也不能直接穿過細(xì)胞膜[65]。

2）靶向性。細(xì)胞膜上有許多膜蛋白，可以通過在顆粒表面修飾特定分子，來增強(qiáng)納米顆粒與細(xì)胞膜作用的靶向特性。葉酸是一種相對(duì)分子質(zhì)量低的維生素，由于葉酸受體在腫瘤細(xì)胞表面會(huì)過度表達(dá)，因此可將葉酸連接到納米粒，以增強(qiáng)其主動(dòng)靶向癌細(xì)胞的幾率。相關(guān)的研究已經(jīng)證實(shí)，葉酸偶聯(lián)鐵氧體納米顆粒，可通過細(xì)胞膜上葉酸受體介導(dǎo)途徑，主動(dòng)靶向富集葉酸受體豐富的腫瘤細(xì)胞，從而可以達(dá)到增強(qiáng)后期治療的目的[66]。細(xì)胞穿膜肽在納米顆粒的表面修飾中也多有用到，其作用方式因多肽和細(xì)胞的類型不同而存在差異。例如，表面修飾了HIV TAT多肽的金納米粒子可能通過脂筏介導(dǎo)的巨胞飲途徑進(jìn)入HeLa和HepG2細(xì)胞[67]，而修飾了SAP多肽（sweet arrow peptide）的硬脂球顆粒，可能會(huì)通過細(xì)胞膜上的小窩蛋白或網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞方式，進(jìn)入人視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞（ARPE-19）[68]?；瘜W(xué)偶聯(lián)單克隆抗體可以增強(qiáng)納米顆粒對(duì)細(xì)胞表面抗原的主動(dòng)靶向性。采用顆粒表面引接具有生物活性的專一性抗體的方法，制備免疫納米顆粒，可用于快速有效地進(jìn)行細(xì)胞分離或免疫分析等研究[69]。

3）智能響應(yīng)性。利用顆粒與細(xì)胞作用環(huán)境的某些因素，針對(duì)細(xì)胞膜內(nèi)吞輔助蛋白對(duì)外界刺激的響應(yīng)機(jī)制，可以通過對(duì)納米顆粒的多層次修飾，達(dá)到制備“智能性”載藥體系的目的。Liu等人[70]利用脂質(zhì)體包裹帶正電或負(fù)電介孔二氧化硅的方法，制備了一種納米載藥體系。在制備過程中，可以通過調(diào)整脂質(zhì)體的組成與體系的電荷數(shù)，以及控制制備過程的融合工藝等手段，達(dá)到調(diào)整載體負(fù)載量的目的[71]。該材料在被細(xì)胞內(nèi)化后，可以根據(jù)周圍環(huán)境的pH值，釋放載體的內(nèi)涵物，有利于釋放藥物的作用效率。制備“智能性”載藥體系的關(guān)鍵，在于選擇對(duì)環(huán)境變化敏感的材料，光敏材料和對(duì)pH值敏感的材料在以往的研究中多有用到。

4）體內(nèi)長效循環(huán)。納米顆粒與細(xì)胞膜作用的前提是顆粒吸附在膜表面。而開發(fā)某些納米載藥體系，往往需要降低納米顆粒在細(xì)胞膜表面吸附的幾率，避免載藥顆粒被巨噬細(xì)胞吞噬，從而達(dá)到藥物長效緩釋的作用，可以通過顆粒表面修飾的方式達(dá)到這個(gè)目的。非離子性表面活性劑是一種常用的長循環(huán)修飾材料，其原因可能是由于表面活性劑的使用可以減少顆粒與溶液中蛋白的吸附[72]，從而減小顆粒被巨噬細(xì)胞吞噬的幾率。而雙親性的殼聚糖、環(huán)糊精等多糖材料的應(yīng)用，可以保證納米顆粒在體內(nèi)的長效循環(huán)外，還可以起到提高藥物包封率和載藥量的效果[73]。

綜上所述，可用于納米顆粒表面修飾的材料及其相應(yīng)的制備工藝有很多，可以根據(jù)細(xì)胞膜上蛋白質(zhì)對(duì)外界物質(zhì)的識(shí)別能力，通過對(duì)納米顆粒表面修飾的途徑，增強(qiáng)顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用。

1.2 體系環(huán)境因素的影響

除了上述納米顆粒的自身性質(zhì)會(huì)對(duì)顆粒與細(xì)胞膜作用產(chǎn)生影響之外，體系所處環(huán)境中的諸多因素，比如溫度、pH值、離子濃度、光照、溶液組分等，也可能影響納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜的作用。

1）溫度。細(xì)胞對(duì)納米顆粒的胞吞作用通常具有溫度依賴性。細(xì)胞膜是液晶相自組裝體，溫度的變化會(huì)引起脂質(zhì)分子的相變，溫度的降低可能會(huì)使細(xì)胞膜從流相變?yōu)槟z相，膜的彎曲模量會(huì)變大，因其細(xì)胞對(duì)顆粒的胞吞能力降低；相反，溫度升高會(huì)增加細(xì)胞膜的流動(dòng)性，加劇細(xì)胞膜的振蕩行為，相應(yīng)的胞吞能力可能越強(qiáng)[74]。溫度對(duì)細(xì)胞膜的影響在一些特殊納米顆粒與細(xì)胞的作用中多有應(yīng)用（見2.3節(jié)）。

2）pH值。溶液pH值可能會(huì)影響生物膜的彈性。當(dāng)1-硬脂?；?2-油?；蚜字?1-stearoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)膜處在酸性條件（pH=2）時(shí)，磷脂膜的壓縮彈性降低，同時(shí)膜的彎曲彈性也會(huì)隨著溶液酸堿度的變化而變化[75]。在納米載藥運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)研究中，還會(huì)特別利用生理環(huán)境的pH值對(duì)納米藥物載體運(yùn)輸效率的影響，開發(fā)一些智能性的納米藥物載體。Tada[76]制備了蛋白質(zhì)/磷灰石復(fù)合物納米顆粒，并針對(duì)HeLa細(xì)胞，考察了這種納米顆粒對(duì)于包在內(nèi)部的蛋白質(zhì)的運(yùn)輸效率。研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒會(huì)通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞，顆粒的磷灰石部分會(huì)在內(nèi)吞小泡中的酸性環(huán)境下溶解，從而釋放出內(nèi)部的蛋白質(zhì)。合成pH值響應(yīng)型的藥物運(yùn)輸材料也是智能性材料制備的一個(gè)研究方向。

3）離子濃度。溶液中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-等離子及其濃度變化也會(huì)影響細(xì)胞膜的性質(zhì)。Pabst等人[77]考察了NaCl和 CaCl2溶液對(duì)1-棕櫚?；?2-油?；蚜字?1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)磷脂膜的影響，發(fā)現(xiàn)增加鹽溶液的濃度會(huì)升高膜脂質(zhì)分子的有序度，從而導(dǎo)致膜彈性的下降。相比之下，Ca2+對(duì)膜彈性的影響更大。一些理論模擬工作對(duì)上述現(xiàn)象作出了解釋，pH值及鹽離子濃度改變了膜的表面電荷密度以及德拜長度，從而對(duì)細(xì)胞膜的性質(zhì)產(chǎn)生了影響[78]。溶液中離子濃度的變化不僅對(duì)細(xì)胞膜性質(zhì)、膜上離子通道等有影響，還可能影響納米顆粒的性質(zhì)。Dendrimer納米粒子在溶液中的行為會(huì)受到多價(jià)鹽離子的影響。在靜電作用下，多價(jià)鹽離子會(huì)與單價(jià)鹽離子在顆粒表面發(fā)生吸附置換。鹽溶液濃度的改變會(huì)導(dǎo)致Dendrimer構(gòu)象及其內(nèi)部滲透壓的變化[79]。離子濃度所導(dǎo)致納米顆粒的變化，也會(huì)影響納米顆粒與細(xì)胞膜的作用情況。

4）光照。光照可以增強(qiáng)細(xì)胞的黏附。Ehahiro等人[80]應(yīng)用聚（N-異丙基）聚合物，開發(fā)了一種測(cè)試光響應(yīng)的細(xì)胞孵育平臺(tái)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，紫外光的照射可以增強(qiáng)細(xì)胞在該平臺(tái)的黏附強(qiáng)度，而細(xì)胞的活性并不會(huì)因?yàn)樽贤夤獾恼丈浔幌魅?。改變光照條件也會(huì)影響某些光敏納米材料與細(xì)胞的作用。二氧化鈦（TiO2）是一種光敏材料。Rozhkova等人[81]基于TiO2開發(fā)出一種納米顆粒，能尋找和毀滅多形性神經(jīng)膠芽細(xì)胞瘤（GMB）的癌細(xì)胞，而不會(huì)傷害到附近的健康細(xì)胞。當(dāng)二氧化鈦顆粒暴露在光照下5 min后，細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，細(xì)胞膜在光照的作用下破損，可以看到有細(xì)胞內(nèi)液流到培養(yǎng)液中，最終細(xì)胞死亡。

5）溶液組分。在試驗(yàn)中，除了改變?nèi)芤旱碾x子濃度之外，加入一些其他分子也可以達(dá)到調(diào)節(jié)細(xì)胞膜性質(zhì)的目的。Tibias等人[82]模擬了電場(chǎng)下聚電介質(zhì)對(duì)生物膜力學(xué)性質(zhì)的影響。兩者作用的推動(dòng)力是聚電介質(zhì)與生物膜之間的靜電作用。與上面離子的作用類似，聚電介質(zhì)的靜電作用也改變了膜的表面電荷密度和德拜距離，從而降低了膜張力，增加了膜彈性，并影響膜的跨膜電勢(shì)。此外，細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境往往富含多種有機(jī)物和生物分子，這些組分同樣會(huì)影響納米顆粒與細(xì)胞膜的作用。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞培養(yǎng)液中的游離蛋白質(zhì)在納米顆粒表面存在多次吸附的現(xiàn)象，不同的蛋白之間也存在著吸附競(jìng)爭的關(guān)系。蛋白質(zhì)分子會(huì)吸附在納米顆粒表面形成冠狀層，可能改變納米顆粒的表面性質(zhì)，從而啟動(dòng)細(xì)胞膜某些吞噬的應(yīng)答機(jī)制[83]。除了溶液中蛋白的吸附作用，納米顆粒自身的一些蛋白包覆層還有可能被溶液中的一些物質(zhì)分解。Violaine等[84]發(fā)現(xiàn)，在很多細(xì)胞中，納米粒子都會(huì)進(jìn)入核內(nèi)體，而核內(nèi)體的組織蛋白酶L會(huì)降解納米粒子外裹的至關(guān)重要的蛋白層，減弱納米顆粒在細(xì)胞膜上的靶向性，從而可能降低納米載藥體系的效率。由此可見，溶液微環(huán)境對(duì)納米顆粒與細(xì)胞膜作用的影響，也是在今后的相關(guān)研究中需要重點(diǎn)考慮的問題。

1.3 外界能量調(diào)控

在納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的研究中，除了改變納米顆粒自身屬性或周圍環(huán)境因素之外，還可以通過施加外界能量的方法，來定向增強(qiáng)納米顆粒的作用功效，常用的能量介導(dǎo)方式包括：超聲介導(dǎo)、電場(chǎng)介導(dǎo)和磁場(chǎng)介導(dǎo)等。

1.3.1 超聲介導(dǎo)

作為一種機(jī)械能量形式,超聲技術(shù)已廣泛用于工業(yè)、化學(xué)化工、醫(yī)療等領(lǐng)域中。超聲的生物效應(yīng)按作用機(jī)理可分為機(jī)械效應(yīng)、空化效應(yīng)、熱效應(yīng)等，當(dāng)超聲與細(xì)胞作用時(shí)，這些生物效應(yīng)可以改變細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)，增加細(xì)胞膜的通透性，相應(yīng)的結(jié)果可以用于超聲輔助藥物的跨膜運(yùn)輸?shù)壬镝t(yī)學(xué)應(yīng)用[85]。

1)超聲的機(jī)械效應(yīng)可以造成細(xì)胞膜的穿孔。超聲能量能夠帶動(dòng)細(xì)胞周圍的水作定向運(yùn)動(dòng)，水分子的定向沖擊會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜表面張力的變化，細(xì)胞膜發(fā)生壓縮形變，相應(yīng)部分的脂質(zhì)分子間距會(huì)變大，甚至可能形成疏水孔洞，隨即部分水分子會(huì)滲入磷脂膜的疏水層[86]。而當(dāng)膜表面張力達(dá)到一定數(shù)值（～65 mN/m)時(shí)，膜表面可能會(huì)形成親水的孔洞，脂質(zhì)分子的親水頭基包裹孔洞的邊緣，以避免其疏水尾鏈暴露在水中[87]。親水孔的形成同樣能夠增加細(xì)胞膜的通透性。當(dāng)聲波能量較低時(shí)，超聲對(duì)細(xì)胞膜表面造成的影響是可逆的，細(xì)胞可以自行修復(fù)膜上所形成的孔洞；而對(duì)于能量較大的超聲所形成的孔洞，細(xì)胞可能因?yàn)闊o法自行修復(fù)而導(dǎo)致死亡[88]。

2)超聲的空化效應(yīng)也會(huì)對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生影響。在正負(fù)壓交替的疏密機(jī)械波聲場(chǎng)中，細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生壓縮和膨脹現(xiàn)象，即超聲的空化效應(yīng)?？栈?yīng)加劇了細(xì)胞膜的振蕩行為，會(huì)造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破損。在超聲輔助藥物運(yùn)輸?shù)难芯恐校曃⑴菰煊皠┑氖褂脮?huì)進(jìn)一步增強(qiáng)超聲空化作用對(duì)細(xì)胞膜的影響。超聲微泡可由磷脂分子或者聚合物分子自組裝而成[43]。在超聲的作用下，微泡也同樣會(huì)有壓縮-膨脹的現(xiàn)象。由于微氣泡具有很強(qiáng)的抗壓能力和較弱的抗?fàn)繌埩?，?dāng)聲能達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致微氣泡破裂。微泡破裂所產(chǎn)生的能量很強(qiáng)，足以在細(xì)胞膜上開孔。相應(yīng)的結(jié)果同樣可以增加細(xì)胞膜的通透性，便于藥物的跨膜運(yùn)輸，或者通過使細(xì)胞膜解體的方式摧毀病變細(xì)胞，達(dá)到治療的效果。另外，在制備過程中，還可以混合一些有利于靶向的生物分子，制備靶向微泡，從而增加微泡在病變部位的靶向效率；再通過超聲的機(jī)械效應(yīng)和空化效應(yīng)作用，提高局部組織細(xì)胞膜的通透性，進(jìn)一步增強(qiáng)靶向部位的藥物運(yùn)輸。微氣泡介導(dǎo)的超聲穿孔的效率，與超聲的頻率、強(qiáng)度、作用時(shí)間以及微氣泡所包被的氣體、制備材料和在溶液中的濃度等因素都有直接關(guān)系，如何保證藥物運(yùn)輸效率的同時(shí)又避免造成細(xì)胞的不可逆損傷，相關(guān)的優(yōu)化工作還有待于進(jìn)一步研究[89]。

3)超聲作用還具有熱效應(yīng)。與之前溫度因素對(duì)細(xì)胞膜的影響類似，超聲的熱效應(yīng)，會(huì)使以脂類分子層為支架的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)由液晶態(tài)轉(zhuǎn)向無序態(tài)，使其功能被破壞，甚至導(dǎo)致整個(gè)細(xì)胞的解體死亡[85]。

超聲所導(dǎo)致的細(xì)胞膜通透性的變化，除了在膜上穿孔之外，還體現(xiàn)在對(duì)膜通道蛋白的影響。細(xì)胞膜上的離子通道的開關(guān)受膜電位或者膜表面張力變化的控制。當(dāng)超聲輻照時(shí)，超聲的刺激會(huì)引起膜表面張力的變化，或者使膜電位改變，從而使膜離子通道打開，這樣也會(huì)提高細(xì)胞膜的通透性[90]。

超聲輔助納米藥物載體的跨膜運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)在于它是非侵入性的，從而避免了對(duì)機(jī)體產(chǎn)生創(chuàng)傷。盡管研究中還存在著諸多問題，但對(duì)超聲輔助納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的機(jī)理研究，有助于推進(jìn)人類利用超聲波在傳遞基因治療藥物、靶向化療和大分子藥物方面的應(yīng)用。

1.3.2 電場(chǎng)介導(dǎo)

與超聲介導(dǎo)類似，利用電能，也可以通過在細(xì)胞膜上穿孔的方式，增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性。體系中所加的電能量可以分為瞬時(shí)電脈沖[91]和連續(xù)電場(chǎng)[92]。

1)除了會(huì)影響那些單純的細(xì)胞膜活動(dòng)（比如膜融合等)之外，瞬時(shí)電脈沖可以誘導(dǎo)細(xì)胞膜的電穿孔現(xiàn)象。電穿孔的產(chǎn)生會(huì)使細(xì)胞膜形成暫時(shí)的親水孔洞。這樣形成的孔洞不具備選擇性，尺寸合適的物質(zhì)均可能通過孔洞進(jìn)入細(xì)胞。因此，離子可以穿過該孔洞實(shí)現(xiàn)跨膜，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜的導(dǎo)電能力增加；甚至某些極化分子也可以通過孔洞進(jìn)入胞內(nèi)，這有利于納米載藥體系的跨膜運(yùn)輸[93]。相比于下面要介紹的連續(xù)電場(chǎng)而言，瞬態(tài)高壓電脈沖對(duì)細(xì)胞膜的作用可能較為劇烈。細(xì)胞膜的電穿孔現(xiàn)象是電場(chǎng)能量和熱運(yùn)動(dòng)能量共同作用的結(jié)果，其中，熱運(yùn)動(dòng)能量是不確定的，與溫度的漲落有關(guān)，而電場(chǎng)的形式和能量是可控的，對(duì)細(xì)胞膜表面微孔的形成起決定性作用。

2)穩(wěn)定的外加電場(chǎng)可以誘導(dǎo)膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其原因在于外加電場(chǎng)影響了脂質(zhì)分子頭基與水分子之間，以及與脂質(zhì)分子頭基不同帶電基團(tuán)之間的電偶極排布[92]。細(xì)胞膜的跨膜電勢(shì)[92]、側(cè)向張力[94]、擴(kuò)散系數(shù)[95]等參數(shù)都會(huì)受到外加電場(chǎng)的影響，同時(shí)，外加電場(chǎng)還可能導(dǎo)致多組分磷脂膜的分相行為[96]。細(xì)胞膜的這些變化都可能會(huì)影響到納米顆粒與細(xì)胞膜的作用。另外，外加電場(chǎng)改變了細(xì)胞膜的跨膜電位，其結(jié)果除了對(duì)膜結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生影響外，也會(huì)對(duì)細(xì)胞膜上某些對(duì)跨膜電勢(shì)較為敏感的通道蛋白的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[97]。通道蛋白結(jié)構(gòu)的改變同樣也會(huì)影響離子的跨膜運(yùn)輸。

3)除了這些通過增加細(xì)胞膜通透性來提高納米藥物載體跨膜效率的研究之外，還可以通過外加電場(chǎng)直接調(diào)控納米顆粒（或者生物分子)的運(yùn)輸行為。修鵬等[98]利用納米管外的電荷操控納米管內(nèi)的水滴，從而達(dá)到操控水滴內(nèi)生物分子位置的目的。這種操控的物理機(jī)制是，該水滴中的水分子雖然不帶凈電荷，但在外置電荷的誘導(dǎo)下可以形成有序的取向，從而可以造成很強(qiáng)的水-電荷相互作用，克服管壁對(duì)液滴定向運(yùn)動(dòng)的阻擋。在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，可以在原子力顯微鏡或掃描隧道顯微鏡的針尖上修飾電荷或加偏壓以使其帶凈電荷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)納米管內(nèi)水滴-生物分子混合體位置的操控[99]。而在另外一些模擬中，已經(jīng)有一些關(guān)于將納米管插入細(xì)胞膜的研究報(bào)道[100]。如果該理論設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)上得以實(shí)現(xiàn)，將可借助納米管實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的定向跨膜給藥，并有望在納米技術(shù)、生物科技等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1.3.3 磁場(chǎng)介導(dǎo)

外加磁場(chǎng)不僅對(duì)細(xì)胞的生長、分化、增殖、凋亡等行為產(chǎn)生影響[101]，還具有調(diào)節(jié)納米顆粒與細(xì)胞膜作用的能力。

1)外加磁場(chǎng)可以增強(qiáng)納米顆粒的細(xì)胞跨膜傳輸效率。Kamau等人[102]以聚乙烯包被的涂層超順磁性納米粒子為例，研究了永磁場(chǎng)和脈沖磁場(chǎng)對(duì)顆粒轉(zhuǎn)染效率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與不加磁場(chǎng)的對(duì)照組相比，磁場(chǎng)的存在使得磁性顆粒的轉(zhuǎn)染效率提高了40倍以上。

2)可以利用磁驅(qū)動(dòng)的方法調(diào)節(jié)納米顆粒與細(xì)胞膜的作用強(qiáng)度，借此控制特定的細(xì)胞膜運(yùn)動(dòng)過程，改變細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，還可用于納米顆粒與細(xì)胞膜的作用強(qiáng)度等力學(xué)特征的研究。應(yīng)用高梯度強(qiáng)磁場(chǎng)，可以拉動(dòng)納米顆粒，活化附近的機(jī)械門控離子通道[103]。這種方法適用于那些黏附細(xì)胞膜受體的磁性納米粒子，有益于闡述與機(jī)械活化作用相關(guān)的生化通路[104]，并為定量評(píng)價(jià)離子通道動(dòng)力學(xué)打下基礎(chǔ)[103]。

3)磁性顆粒在磁場(chǎng)下的熵?zé)嵝?yīng)可以應(yīng)用于腫瘤的溫?zé)嶂委熤?，這同樣是利用了溫度因素對(duì)細(xì)胞膜的影響。熱療過程會(huì)引起腫瘤組織溫度升高，腫瘤組織的血液循環(huán)散熱能力較差，其溫度要比周圍正常組織高。溫度的變化會(huì)破壞細(xì)胞膜的整體結(jié)構(gòu)，使癌變細(xì)胞發(fā)生解體，從而加速細(xì)胞的溶解和凋亡過程。因此，應(yīng)用該方法，可選擇性地對(duì)腫瘤組織細(xì)胞加溫殺滅[105]。

4)鐵磁性納米顆粒在磁場(chǎng)誘導(dǎo)下的運(yùn)動(dòng)也可有效殺死癌細(xì)胞。Kim等人[106]研制了一種超薄的鎳鐵導(dǎo)磁合金圓盤，這個(gè)磁合金圓盤中所有原子的磁性都按同心圓方式排列，形成了一個(gè)磁湍流。當(dāng)另一個(gè)交互式磁場(chǎng)作用于它的磁場(chǎng)時(shí)，圓盤發(fā)生了振蕩。實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明，振動(dòng)頻率在幾十赫茲的低水平時(shí)，經(jīng)過10 min，就足以破壞90%癌細(xì)胞的細(xì)胞膜，并啟動(dòng)細(xì)胞凋亡。這種方法所用交變磁場(chǎng)的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度都很低，可避免與高強(qiáng)度磁場(chǎng)相關(guān)的副作用。

2 小 結(jié)

隨著納米技術(shù)和納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展，納米顆粒被越來越廣泛地應(yīng)用于藥物傳輸體系和基因治療等領(lǐng)域，或作為熒光探針應(yīng)用在生物成像和生物檢測(cè)等方面。納米顆粒與細(xì)胞膜的作用，是納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中需解決的首要問題。納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的研究內(nèi)容包括：顆粒在細(xì)胞膜上的黏附、顆粒的跨膜行為、顆粒對(duì)細(xì)胞膜及其膜上細(xì)胞器性質(zhì)的影響和調(diào)控作用等問題。充分了解它們之間的相互作用，對(duì)于在細(xì)胞層次上理解生命體的生理過程、納米藥物的作用機(jī)制、基因治療的機(jī)理等十分重要。在進(jìn)行試驗(yàn)研究的同時(shí)，結(jié)合理論模型和數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)相關(guān)問題展開研究，有助于進(jìn)一步了解納米材料對(duì)細(xì)胞作用的微觀機(jī)理。近年來，雖然納米顆粒對(duì)細(xì)胞膜作用的報(bào)道在不斷增加，但還有很多問題不清楚，尚需更深入的研究和探索。相關(guān)研究成果，對(duì)于全面了解納米材料的生物安全性，建立納米安全性防御體系，具有重要的指導(dǎo)意義。

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This work was supported by grants from The National Basic Research Program of China(2006CB933206),The National Natural Science Foundation for Distinguished Young Scholars of China(60725101)and The National Natural Science Foundation of China(50872021)

Interaction of Nanoparticles on Cell Membranes

GU Ning,LI Yang
School of Biological Science&Medical Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China

Mar 25,2010 Accepted：Apr 30,2010

GU Ning,Tel：+86(25)83794960,E-mail：guning@seu.edu.cn

Today,nanoparticles are routinely used in biomedical applications.Therefore,a basic understanding of the interactions of nanoparticles with biological systems,especially with cell membrane,becomes a crucial task in determining the cytotoxicity of nanoparticles as well as their potential application as drug delivery vehicles or therapeutic agents.The interaction of nanoparticles with cell membranes can affect the structure and properties of lipid bilayers as well as functions of those biomacromolecules on the biomembrane,such as ion channels etc.Here we review the recent progresses on interactions of nanoparticles on the cell membrane.These biologic effects of nanoparticles(NPs)are dependent on a variety of unique properties of NPs(e.g.,size,shape,surface morphology,hydrophobicity,surface charge,and specific surface modification),some environmentalfactors，and regulations ofexternalenergies. In each case，many examples demonstrating the significant changes of these properties of cell membrane have been presented.

Nanoparticle;Biomembrane;Physical-chemical properties;Environmental factors;Energies’regulations

2010-03-25；接受日期：2010-04-30

國家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2006CB933206)、國家自然科學(xué)基金杰出青年基金(60725101)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50872021)

顧寧，電話：(025)83794960，E-mail：guning@seu.edu.cn

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