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Nano Polymers

Less Charge, Better Effect? Deciphering How Hydrophobic Interactions Enhance Gene Delivery Efficiency
电荷少，效果好？解密疏水作用如何助力高效基因递送本文信息标题: Role of Charge Density of Polycations in DNA Complexation and Condensation 作者: Jianxiang Huang, Yangwei Jiang, Dong Zhang, Jingyuan Li, Youqing Shen, Ruhong Zhou 单位: 浙江大学生命科学学院定量生物学中心引用格式: Huang, J., Jiang, Y., Zhang, D., Li, J., Shen, Y., & Zhou, R. (2025). Role of Charge Density of Polycations in DNA Complexation and Condensation. Biomolecules, 15(7), 983. https://doi.org/10.3390/biom15070983 摘要聚阳离子基因载体在基因递送领域已被广泛研究，其电荷密度在凝聚核酸中扮演着关键角色。最近，我们合成了两种具有不同电荷密度的聚阳离子：聚(2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯)（表示为A100）和一种由2-(四氢亚甲基亚氨基)乙基甲基丙烯酸酯与2-(二异丙氨基)乙基甲基丙烯酸酯以3:1进料比共聚的聚合物（表示为B75D25）。尽管B75D25基载体的电荷密度较低，但其展现出比A100基载体更高的转染效率，这启发了一个假说：疏水相互作用，而不仅仅是高电荷密度，增强了DNA的复合与基因递送。本研究旨在通过分子动力学（MD）模拟研究DNA与B75D25和A100的复合过程，以探究这些差异背后的分子机制。我们的模拟显示，DNA被B75D25相当均匀地覆盖，并且这种复合不仅由与DNA的静电吸引驱动，更重要的是由B75D25之间的疏水相互作用驱动。相反，由于A100之间强烈的静电排斥，只有一小部分A100能与DNA结合。我们的结果揭示了疏水相互作用对低电荷密度B75D25与DNA复合的贡献。这些结果表明，高电荷密度可能并非DNA凝聚和高效基因递送的必要条件。背景基因治疗，通过将治疗性核酸（如DNA）递送到目标细胞以纠正遗传缺陷，正逐渐成为一种前景广阔的革命性医疗策略。然而，脆弱的核酸分子无法独自“闯荡”复杂的体内环境，它们需要被包裹在载体中，以保护其免受降解，并帮助其穿透细胞膜的壁垒。目前，临床上使用的基因疗法多依赖于病毒载体，但其高昂的成本、有限的装载能力、潜在的免疫原性和致癌风险，极大地限制了其广泛应用。因此，开发更安全、更经济的非病毒载体成为了该领域的关键。其中，聚阳离子是一类极具潜力的非病毒载体。它们是带有正电荷的长链聚合物，能够通过静电吸引力与带负电的DNA结合，并将其“压缩”成纳米级别的致密颗粒（称为“polyplex”），从而保护DNA并促进其进入细胞。长期以来，该领域的一个核心设计准则是：聚阳离子的电荷密度越高，其与DNA的结合力就越强，形成的颗粒就越致密，基因递送效率也理应越高。这个直观的理论指导了许多载体的设计。关键科学问题然而，近期的实验结果开始挑战这一传统认知。本文作者团队前期合成并测试了两种结构相似但电荷密度差异巨大的聚阳离子：A100（在pH 7时约有50%的单元带正电，高电荷密度）和B75D25（在pH 7时仅有约10%的单元带正电，低电荷密度）。实验结果惊人地发现，低电荷密度的B75D25所介导的基因转染效率，反而显著高于高电荷密度的A100。这一反常现象引出了本研究的核心科学问题：为何在静电吸引力明显更弱的情况下，低电荷密度的B75D25反而能成为更优秀的基因载体？是什么被忽略的关键物理化学作用力在其中扮演了更重要的角色？本研究旨在通过全原子分子动力学模拟，从分子层面深入剖析这两种聚阳离子与DNA相互作用的动态过程，揭示这一反常现象背后的物理机制。创新点挑战传统认知：通过原子级别的模拟证据，有力地挑战了“电荷密度越高越好”的传统基因载体设计准则。揭示关键机制：首次从分子动力学角度，清晰地揭示并量化了聚阳离子间的疏水相互作用在稳定DNA复合物中的主导作用。提供新设计思路：研究结果表明，通过巧妙地平衡疏水性与静电相互作用，可以设计出电荷密度更低、潜在毒性更小且效率更高的非病毒基因载体，为未来的载体设计提供了新的方向。研究内容核心方法：全原子分子动力学模拟为了在原子尺度上“观察”DNA与聚阳离子的相互作用，研究者构建了精细的计算机模拟体系。他们将一段标准的B型DNA（Drew-Dickerson十二聚体）置于水盒子中央，周围环绕着24条聚阳离子链（A100或B75D25），并加入离子以模拟生理盐浓度。随后，利用经典的GROMACS软件进行长达数百纳秒（ns）的分子动力学模拟，追踪每一个原子的运动轨迹。 graph TD subgraph "体系构建" direction LR A["DNA模型<br/>Drew-Dickerson十二聚体"] --> C; B["聚阳离子模型<br/>A100 (高电荷) 或 B75D25 (低电荷)"] --> C; end subgraph "模拟与分析" direction LR C{{"MD模拟<br/>GROMACS软件<br/>数百纳秒轨迹"}} --> D[("轨迹分析")]; end subgraph "关键分析手段" direction LR D --> E["COM距离<br/>分析整体结合趋势"]; D --> F["接触分析<br/>区分疏水与静电相互作用"]; D --> G["PMF计算<br/>量化相互作用强度"]; end classDef main fill:#e6f2ff,stroke:#007bff,stroke-width:2px; class C,D main; 结果与分析本文的研究思路遵循着“观察反常现象 -> 提出假说 -> 精细化验证 -> 得出结论”的经典科研逻辑，如下图所示： graph TD A["<b>现象</b><br/>低电荷B75D25完全包裹DNA<br/>高电荷A100仅部分结合"] --> B{{"<b>核心假说</b><br/>B75D25的优异性能<br/>由<b>链间疏水作用</b>主导，<br/>而非链与DNA间的静电作用"}}; subgraph "假说验证" direction LR B --> C["<b>证据1：接触分析</b><br/>B75D25链间以疏水接触为主"]; B --> D["<b>证据2：自由能计算</b><br/>拉开B75D25需克服巨大能量壁垒<br/>（40.6 kcal/mol）"]; end subgraph "结论" direction LR E(<b>主要结论</b><br/>疏水作用是低电荷载体<br/>形成稳定包裹的关键) --> F(<b>最终推论</b><br/>平衡疏水与静电是更优的设计策略); end A --> B C & D --> E A --> F classDef observation fill:#e6f2ff,stroke:#007bff,stroke-width:2px; classDef hypothesis fill:#e8fef0,stroke:#28a745,stroke-width:2px; classDef evidence fill:#fff,stroke:#6c757d,stroke-width:2px; classDef conclusion fill:#fff8e1,stroke:#ffc107,stroke-width:2px; class A observation; class B,G hypothesis; class C,D evidence; class E,F conclusion; 1. 反常识的包裹现象：为何“弱者”胜出？模拟结果首先从宏观上复现了实验的怪异现象。对于低电荷密度的B75D25体系，24条聚阳离子链在模拟开始后迅速向DNA靠拢，并在约25 ns内全部聚集在DNA周围，形成了一个厚度可达2.5 nm的、完整且均匀的保护层。相反，对于高电荷密度的A100体系，尽管其与DNA的静电吸引力更强，但由于A100链之间强烈的同种电荷排斥力，平均只有约7条（最多约10条）链能够成功结合到DNA上，其余大部分都被排斥在外，未能形成有效的保护层。补充材料中的数据显示（图S7），B75D25的包裹层在25 ns内就迅速稳定地包含了全部24条聚合物链，而A100的包裹层始终只有不到一半的链参与，定量地证实了这种包裹效率的巨大差异。图2：聚阳离子-DNA的复合过程及体系的最终模拟构象。（a） DNA与聚阳离子之间平均质心（COM）距离随时间的变化。阴影误差带代表平均值的标准误差。（b）从DNA开始的净电荷分布。误差棒代表平均值的标准误差。（c） B75D25/DNA复合物的最终模拟构象，虚线圆标记了电荷中和距离 $R_{0}$ 以内的区域。（d） A100/DNA复合物的最终模拟构象。 2. 揭秘B75D25的“隐藏力量”：疏水相互作用既然静电吸引无法完全解释B75D25的优异包裹能力，研究者将目光投向了另一种重要的作用力：疏水相互作用。通过精细的接触分析，他们发现，在B75D25形成的保护层中，聚阳离子链与链之间的相互作用，主要由非极性原子间的接触（即疏水相互作用）所主导，其接触数量显著高于极性原子间的接触。这表明，B75D25链倾向于彼此“抱团”，形成一个稳定的疏水核心，从而将DNA包裹在内。图3：B75D25聚合物间的疏水相互作用。（a） B75D25的疏水接触表面积随时间的变化。（b） B75D25之间的接触原子对（红色线为极性-极性对，绿色线为非极性-非极性对）。（c） B75D25与DNA之间的疏水接触表面积随时间的变化。（d） B75D25与DNA之间的接触原子对。为了进一步量化这种“抱团”的力量有多强，研究者通过伞形采样模拟计算了将一条B75D25链从复合物中拉出的自由能代价（PMF）。结果显示，拉出一条B75D25链需要克服高达 $40.6\ \mathrm{kcal/mol}$ 的能量壁垒，这是一个非常巨大的数值，强有力地证明了B75D25聚合物之间的疏水聚集是其形成稳定保护层的根本原因。图4：沿着反应坐标（定义为被选择的B75D25链的COM与DNA的COM之间的距离）的平均力势（PMF）。插图显示了用于PMF计算的反应坐标。 3. 重新审视静电相互作用分析同样证实，B75D25的质子化胺基与DNA的磷酸骨架之间确实存在静电吸引和氢键作用。然而，这些相互作用的强度和数量都相对温和。相比之下，A100与DNA形成的静电相互作用虽然更强，但这种强作用力是一把“双刃剑”，它同时也导致了A100链之间更强烈的排斥，最终阻止了它们形成有效的整体包裹。这一电荷密度的差异在补充材料的静电势表面图中（图S2）得到了直观的展示，A100表面呈现出大片的强正电势（蓝色），而B75D25表面则大部分呈中性（白色）。因此，B75D25的成功策略可以总结为：利用温和的静电吸引将自身“锚定”在DNA表面，再依靠强大的链间疏水作用力完成“自组装”，形成稳定外壳。图5：DNA与B75D25聚合物的相互作用。（a） B75D25聚合物的质子化胺氮原子围绕DNA磷酸磷原子的径向分布函数。（b） DNA(P)与B75D25（质子化N）相互作用的代表性快照。（c）接触数的时程演化。（d）氢键数量的时程演化。 Q\&A Q1：“疏水接触表面积”具体是指什么？它指的是B75D25链与链之间，还是B75D25与DNA之间的接触？ A1：这是一个非常关键的区别。本文分析了两种疏水接触表面积：一种是B75D25链与链之间的（图3a），另一种是B75D25与DNA之间的（图3c）。结果显示，链与链之间的疏水接触表面积（最终达到约 $180\ \mathrm{nm}^2$）远大于链与DNA之间的（约 $5\ \mathrm{nm}^2$）。您观察得非常正确，DNA的疏水碱基主要位于双螺旋内部，其暴露在表面的主要是亲水的磷酸脱氧核糖骨架。因此，B75D25与DNA的直接疏水作用相对较弱。这恰恰反过来强化了本文的核心论点：驱动B75D25形成稳定多层包裹的主要力量，并非来自与DNA的直接作用，而是来自B75D25链与链之间强大的疏水“抱团”效应。 Q2：B75D25的非极性接触比极性接触多，有没有可能是因为它本身的非极性原子就比极性原子多？作者是否考虑了这一点？ A2：这是一个非常深刻的问题，触及了数据归一化的核心。确实，从化学结构上看，B75D25的疏水单元（TMI）占75%，其非极性碳氢原子在数量上就远多于极性质子化氮原子。…… 小编觉得就应该是说明自己跟自己是疏水，那大部分原子都是非极性的当然是非极性接触。。 B75D25和DNA的结合仍然是静电驱动的，但大量B75D25和DNA的结合是疏水主导。 Q3：为什么后续的几张图（如PMF和RDF分析）主要表征B75D25，而没有对A100进行同样的分析？ A3：这反映了研究的逻辑聚焦。在初步的模拟中，研究已经明确了一个核心现象：B75D25成功形成了稳定的多层包裹，而A100因为强烈的内部排斥而失败了。因此，后续研究的核心科学问题就变成了：“成功者”B75D25究竟是靠什么机制成功的？于是，后续的PMF（测量聚集强度）和RDF（测量静电作用）等精细分析，都是为了深入刻画B75D25的成功机制。对A100进行PMF分析的意义不大，因为它根本没有形成一个可供“拉开”的稳定聚集体。作者在补充材料（图S12）中确实也计算了A100的RDF，并证实了其与DNA存在很强的静电吸引。小编觉得还是可以拉的…… Q4：这项研究对未来设计基因载体有何具体的指导意义？ A4：它提供了一个全新的设计范式。传统的设计思路是尽可能增加聚合物的正电荷。而本研究表明，一个更优的策略是“疏水与静电的协同设计”。未来的基因载体可以设计成这样：1）保留适量的正电荷，足以让载体与核酸发生初始的静电吸引；2）引入可控的疏水基团，利用疏水效应驱动载体分子自组装成稳定的纳米颗粒核心。这种设计不仅可能提高包裹效率和稳定性，还可能因为总体电荷较低而降低细胞毒性。 Q5：高电荷密度的A100与DNA之间存在很强的静电吸引，这个事实如何支撑“链间静电排斥是其失败主因”的结论？ A5：这个逻辑是成立的，它通过排除法得出了结论。首先，补充材料（图S6, S12）的数据证实了A100与DNA的吸引力非常强（甚至强于B75D25）。这就排除了“吸引力不足”是A100包裹失败的原因。既然吸引力足够强，但大部分A100链依然无法靠近DNA，那么必然存在一个更强大的、阻止它们靠近的拮抗力。在水溶液和离子环境中，对于带有大量同种电荷的A100分子链来说，这个力只能是它们彼此之间的静电排斥力。因此，正是因为“与DNA的吸引力很强”这个前提，我们才能更有信心地断定，是“链间的排斥力”阻止了更多A100的结合。也不算支撑，就是排除了一个答案 Q6：研究的核心论点是疏水作用“主导”了B75D25的包裹行为，但图5也显示了稳定的静电和氢键相互作用。我们如何客观评估这两种作用力的相对重要性？ A6：这是一个非常深刻的批判性问题。作者的“疏水主导”论点主要基于两个证据：1）链间的非极性接触数量远超极性接触（图3b）；2）将一条链从聚集体中拉开需要克服巨大的能量壁垒（$40.6\ \mathrm{kcal/mol}$，图4）。然而，正如您所指出的，图5也清晰地显示了B75D25与DNA之间存在着峰值尖锐的径向分布函数（RDF）和持续存在的氢键，这证明静电相互作用同样不可或缺。一个更严谨的解读是：静电吸引是“必要非充分”条件，而疏水作用是“决定性”因素。可以这样理解：静电吸引像是“船锚”，负责将第一批B75D25分子链从溶液中捕获并锚定到DNA表面。没有这个初始步骤，B75D25链将只是在溶液中随机漂浮。然而，仅靠这个“船锚”不足以形成一个稳定厚实的保护层，因为链与链之间仍然存在一定的排斥。此时，强大的链间疏水作用开始扮演主角，它像“万能胶”一样，将已经锚定和新到来的B75D25链紧密地粘合在一起，克服了它们之间的排斥力，最终形成了那个完整的多层包裹结构。因此，静电作用负责“启动”，而疏水作用负责“建成并稳定”。 Q7：研究比较了50%带电的A100和10%带电的B75D25。是否存在一个“最佳电荷密度”的甜点区？ A7：这是一个极好的问题，也是本研究未能直接回答的。本文通过两个极端的例子，雄辩地证明了“越高越好”的理论是错误的，并揭示了疏水作用的重要性。但这确实留下了一个开放性问题：是否存在一个最佳的平衡点？例如，一个25%或30%带电、同时保持疏水性的聚合物，是否会表现出比B75D25更优的性能？本研究的结论强烈暗示了这样一个“甜点区”的存在，即电荷密度既要足够强以启动与DNA的结合，又要足够弱以避免过度的链间排斥。探索这个最佳区间，将是后续研究中一个非常有价值的方向。 Q8：模拟使用的是一段短的、线性的DNA。真实世界中的DNA（如质粒）是环状且超螺旋的，这会对结果产生什么影响？ A8：这个问题触及了模型简化与生物现实之间的差距。使用短链DNA是计算模拟中的常见简化，但真实情况远为复杂。超螺旋的质粒DNA具有更紧凑的结构和更高的局部电荷密度，这可能会增强与聚阳离子的初始静电吸引。然而，其复杂的拓扑结构也可能对聚合物的缠绕和包裹方式提出新的挑战。例如，聚合物链可能被“卡”在DNA的扭结中。此外，本文的模拟也没有考虑DNA末端效应，而补充材料（图S8）中的周期性DNA模拟初步探讨了这一点。总的来说，虽然本研究揭示的基本物理原理（静电vs疏水）很可能同样适用，但这些原理在更复杂的DNA拓扑结构上如何具体表现，仍需进一步的研究。关键结论与批判性总结关键结论本研究通过全原子分子动力学模拟，为“低电荷密度聚阳离子B75D25比高电荷密度聚阳离子A100具有更优的基因转染效率”这一反常实验现象提供了深刻的分子机制解释。研究明确指出，一个成功的基因载体不仅需要与DNA有足够的静电吸引力，聚合物链之间的相互作用也同样至关重要。对于B75D25，强大的链间疏水相互作用是主导力量，它驱动聚合物自发地聚集、包裹在DNA周围，形成了一个稳定且完整的保护层。对于A100，过高的电荷密度导致了强烈的链间静电排斥，这种排斥力超过了其与DNA的吸引力，使得大多数聚合物链无法靠近DNA，最终导致包裹失败。因此，本研究的核心结论是：聚阳离子的包裹能力与其电荷密度并非简单的正比关系。适度的疏水性可以有效补偿较弱的静电吸引，通过链间聚集效应，同样能形成稳定的DNA复合物，并可能因为较弱的结合力而有利于在细胞内更高效地释放DNA，从而实现更优的基因递送。批判性总结潜在影响：这项工作为非病毒基因载体的设计提供了全新的、反传统的设计思路。未来的研究者在设计新型聚阳离子载体时，或许应该将目光从“如何最大化电荷”转向“如何巧妙地平衡静电与疏水相互作用”，这可能为开发出更低毒、更高效的基因治疗工具开辟新的道路。研究局限性：作者在文中也坦诚地指出了本研究的局限性，主要包括分子动力学模拟的时间尺度限制和计算中使用的力场精度可能存在固有偏差。未来展望：为了克服这些局限，未来的研究可以采用粗粒化模拟等方法来探索更长的时间和空间尺度。最重要的是，本研究的计算发现迫切需要进一步的实验验证，例如通过细胞摄取、内涵体逃逸等实验，来证实这种以疏水作用为主导的包裹机制是否真的能转化为最终的体内基因递送优势。
Nano Polymers · 2025-08-14
Interaction Mechanisms Between Dendrimer Nanoparticle Surfaces and Cell Membranes
树枝状大分子/纳米粒表面π体系与膜相互作用机理表面含芳香π体系的纳米粒子在与磷脂双层接触时，可通过多种弱相互作用介导结合和穿透，包括π–π堆积、CH/π（芳香环与脂肪链CH键的相互作用）、阳离子–π作用以及疏水π作用等。研究表明，带电子云的芳香环能与膜中脂质的脂肪链或头部形成特殊稳定接触。例如，Cheng等发现在蛋白质中，磷脂酰胆碱(PC)头部的胆碱阳离子可通过形成“阳离子–π盒”与芳香残基（如酪氨酸）π平面发生强烈吸引：“the PC choline cation interaction with amino acid π systems forms the PC-specific site”。类似地，带氨基的磷脂酰乙醇胺(PE)或磷脂酰丝氨酸(PS)头部的铵离子也可与芳香π体系产生电荷–π相互作用；这些作用帮助粒子在膜表面定位。在膜疏水区，纳米粒子的芳香环可以与脂质烷基链的碳氢键形成CH–π或普通的范德华疏水作用。Efimova等研究的阳离子吡啶苯基树枝状聚合物中指出，含π键的苯基单元通过疏水作用插入脂肪链区：“hydrophobic interactions of phenylene units with the hydrocarbon tails of lipids were observed”，导致脂质双层形成缺陷。此外，π–π堆积往往发生在纳米粒子自身的芳香链之间或与另一芳香表面之间。例如，电子丰富的苯环与电子缺乏的全氟苯环有相反的电荷分布，相对的π四极矩使它们形成强稳定的π–π堆积：“the equal but opposite quadrupole moments of benzene and its highly fluorinated aromatic analogs allow… stabilizing π–π stacking interactions”。总之，各类π相互作用共同影响粒子与膜界面的结合强度、定位和动力学。 π体系电子属性对膜作用的影响芳香基团的电子属性（富电子或缺电子）显著调节其与膜相互作用的模式。以Jordanova等人研究的两种喹啉（纳夫啶酰胺）树枝状聚合物为例：未取代的N,N-二甲基氨基-喹啉酰胺树枝体(Dab)（电子给予）深入并夹入了不饱和脂肪链的扭曲部位，使脂质尾部排序增强，而其3-溴衍生物Dab-Br（电子吸引）则主要留在脂质头部，通过静电与磷酸基作用。具体地说，作者报告：“Dab incorporates in the kink formed by POPC unsaturated tails… Dab-Br interacts electrostatically with the phosphate of phosphatidylcholine”。这表明电子丰富的π体系易插入膜疏水区，而带强吸电子基团的芳香环则倾向于停留在亲水头区，依赖静电结合。另一方面，芳香环的氟取代可彻底反转其电荷分布：蒙科维奇等指出，苯环密集的π电子云使其中心带负电，而全氟苯的π云被吸电子氟拉扯呈正电；两者形成互补四极矩，从而极易发生π–π叠加。全氟芳香族结构同时高度疏水，表现出类似“类疏水效应”的超疏水性，这意味着全氟芳香修饰的纳米粒表面对脂肪链区域具有更强的亲和力。因此，电子给出/吸引基团的引入不仅改变π–π和静电相互作用，还显著调控膜穿透和扰动能力。可见，通过化学修饰调节π体系的电子特性，是控制纳米粒膜结合方式的关键策略。磷脂分子直接互作机理及模拟/实验证据多项实验和模拟研究直接揭示了π基团与磷脂头部及尾部的相互机制。例如，阳离子吡啶苯基树枝体与含胆固醇的阴性脂质体研究发现：带高离子度外围（如D3^50+、D2^29+）的树枝体通过纯静电作用吸附于脂质体表面，这种结合可被盐洗脱，且不进入疏水层、对膜无破坏作用。相反，次生带负载（D2^15+）的树枝体在参与静电结合的同时，其内部苯基环还深入脂质尾部区与烷基链相互作用，形成难以逆转的缺陷。更极端的是小代（D1^6+），其高度疏水刚性结构直接破坏了膜结构，使脂质体崩解。这些结果强调了分子层面不同相互作用的协同效应。类似地，模拟研究也印证了π体系作用：All-atom MD显示，纯疏水的芳香聚合物纳米点（polydot）能自发穿透DPPC膜，而表面带羧基负电的polydot则被阻留在膜面。具体地，“不带电的芳香族polydot自发渗透膜，而羧基化的polydot需要外力才能进入膜内”。此外，石墨烯氧化物（GO）等二维π体系也与磷脂头区通过静电吸附，与尾区通过范德华力结合。一项Langmuir单层研究发现，GO同时插入DPPC的脂肪链、头部及水相中，其结合既有静电又有分散作用（类似CH/π与疏水作用）。综合来看，这些建模与实验结果从多角度验证了π相互作用在粒子–膜结合和扰动中的关键角色。电子效应调控的实验与模拟支持除上述具体实例外，还有不少研究通过改变π系统电子性质来测试膜相互作用的变化。例如，弗氟富化策略常用于调节π表面的极性和疏水性。蒙科维奇等的综述指出，全氟芳香体系的超疏水特征可以明显增加与脂质尾部的亲和，暗示类似改性可增强穿膜能力。实验上，对比带有不同电子属性取代基的树枝体也证实了这一点：富电子纳夫啶系树枝体导致脂肪链排列有序，而缺电子衍生物则主要作用于头部。另外，对于肽/蛋白体系，使用氟化芳香氨基酸替代技术可以区分c-π与膜插入效应，佐证了π电子密度对结合模式的影响。总体而言，既有的模拟和实验数据一致表明：通过引入电子给出/吸引基团改变π平面的极性与疏水性，确实会调控纳米粒与膜相互作用的强度和性质。其他纳米粒示例虽然上述例子主要涉及树枝状聚合物，但类似机制也见于其他芳香表面纳米粒。例如，以DPPC为模型脂质，酯芳烃聚合物(polydots)插入研究表明，无论纳米粒大小如何，其表面疏水度决定了跨膜能力。图1示例中展示了DPPC分子和聚对苯乙炔(polydot)结构，对应模拟中中性polydot穿透膜层，而阴离子端基化polydot留在膜表面。此外，类似石墨烯、纳米颗粒或有机微球等，只要表面含芳香π体系，同样可通过上述π相互作用机制调节膜结合。综上所述，不论是树枝体还是其他纳米粒，修饰不同π体系（电子云密度或取代基）均能显著影响其与磷脂分子的相互作用模式和生物界面行为。表面刚性疏水结构对膜相互作用的影响疏水“锚定”作用：研究指出，金刚烷等刚性脂环可作为脂质双层膜的“锚”。例如，Štimac等提出了“adamantane as an ‘anchor’ in the lipid bilayer”的概念，实验证实将金刚烷锚基引入脂质体后可牢固插入双层膜。类似地，带有疏水金刚烷基团的氨基脲化合物被包封在磷脂胆固醇脂质体中，其与膜的相互作用“could be ascribed mainly to the adamantane moiety”，提示金刚烷基团是驱动插入脂双层的主要因素。因此，引入刚性疏水环烃显著增强粒子与疏水膜内核的亲和力，促进吸附和插入。与此相对，未修饰或强正电荷表面的树枝状大分子往往只能通过静电吸附于膜表面而不易穿透。膜结构扰动与通透性：疏水芳香环或烯烃基团可引发双层膜缺陷和通透性改变。Efimova等系统研究发现，当树枝状大分子外围带有一定量的疏水苯基单元时，苯基与脂质烷基链发生疏水相互作用，导致双层出现不可逆缺陷。例如，对应混合性树枝体 (D₂₁₅⁺) 在磷脂体中形成双层缺陷；而高度疏水且空间刚性的G1树枝体 (D₁₆⁺) 则“caused significant destruction of liposomal membranes”。相反，完全带电的树枝体 (D₃₅₀⁺、D₂₂₉⁺) 仅通过静电吸附在膜表面，不穿透内层，也不破坏膜结构。在脂质体模型中，带有疏水金刚烷基团的胍盐化合物使膜通透率略增（诱导约15%的荧光染料泄漏），但其结合疏水尾插入膜内核后并未引起剧烈破坏。相反，一旦外源疏水域在膜内形成有序域（如四氢萘或脂链聚集），可促进脂质重组。Verma等发现，表面具有有序排列的交替疏/亲水基团的纳米颗粒能“penetrate the plasma membrane without bilayer disruption”，而随机分布的则主要被内体捕获。这说明表面刚性序列化排列有利于非内吞通道穿膜。膜蛋白/脂质重排效应：高分子–膜相互作用可诱导膜成分重排。文献指出，大分子结合膜后常伴随脂质或膜蛋白的聚集，促进脂质跨膜迁移并提高膜离子通透性。例如，AFM 实验证实，嵌入脂双层的金刚烷-肽链自发聚集成“域”（domain），将活性取代基（如糖基）暴露于膜外。这一“域”聚集机制表明，刚性疏水基团一面插入膜内，一面让亲水/活性团显示在外，可介导膜-膜间或膜蛋白识别、囊泡聚集，而无需破坏膜完整性。细胞摄取效率与途径摄取效率提高：引入疏水刚性基团通常能增强纳米粒子的细胞内化效率。树枝状大分子修饰大量疏水苯基或脂链后，整体疏水性提高，有利于跨膜扩散或内吞。例如，一项研究发现含ClPhIQ苯基配体的G4 PAMAM树枝体，其脂溶性显著上升，从而“allows for the dendrimeric molecule to pass into the cell”。相反，末端带亲水胺基的树枝体氨基质子化后很难穿透疏水膜。此外，多阳离子金刚烷基分支树枝体（HYDRAmers）在巨噬细胞和上皮细胞中表现出极高的摄取率，说明刚性疏水骨架有利于细胞吸收。内吞途径选择性：不同修饰可改变纳米粒子进入细胞的途径。Russier等报道，多阳离子金刚烷基树枝体的一/二代在不同细胞中主要通过不同途径内化：第一代主要经由clathrin介导内吞和巨胞饮，而第二代对这些通路抑制剂的敏感性明显降低。这提示，修饰基团的类型和构型可调控主要内吞途径。另有研究表明，若粒子表面排列有序，可实现部分能量无关的直接穿膜（见上文）。总体来看，正电荷和疏水性增强的粒子往往进入内体/溶酶体途径，而高度有序或超疏水表面则可能绕过传统内吞通路直接进入胞质。分子作用机理疏水相互作用：刚性疏水基团（环烃、芳香或烯烃）通过疏水嵌入膜内核，提高粒子–膜结合。例如，上述胍盐化合物表明其脂链“could interact with the lipid bilayer with hydrophobic interactions as well, and not only with electrostatic interactions”。同样，苯环单元与脂双链的强疏水相互作用可导致双层缺陷。因此，疏水相互作用是插入和膜扰动的主要驱动力。空间刚性诱导插入：刚性基团（如金刚烷笼）通过固定空间构型增强穿膜。金刚烷的笼状结构和高立体阻力使其在膜内形成稳定锚点。这种刚性使得带金刚烷的分子在膜内形成紧密“域”，难以散逸，同时将亲水部分推向膜外。与之类似，具有芳香环的刚性树枝体在插入膜时稳定性更高，可形成难逆转的膜缺陷。聚集行为：表面刚性疏水基团还可诱导纳米粒子自身和膜组分的聚集。如前述，胍盐金刚烷分子在载于脂质体后，促使互补载脂体粘附并形成多室结构。Verma等观察到的条纹状纳米粒子穿膜现象也暗示粒子可聚集形成有利于穿膜的排列。这种聚集与有序排列可改变局部膜曲率或张力，从而促进渗透。膜蛋白协同作用：虽然文献对膜蛋白特异性较少报道，但已有研究表明聚合物–膜相互作用可伴随膜蛋白的重排。例如，一些树枝体结合膜时可引起膜上蛋白和脂质的聚集。这可能意味着修饰表面基团还能影响纳米粒子与膜蛋白受体的相互作用，进而改变内吞和信号传导过程。综上所述，表面修饰的刚性脂环、芳香环或烯基通过增强疏水性和刚性，明显调控了纳米粒子与细胞膜的相互作用：它们作为膜内核的“锚”，促进纳米粒子插入和聚集，从而诱导双层膜缺陷或增强膜通透性；同时，这些修饰基团显著影响细胞摄取效率和途径，如金刚烷基树枝体可高效进入细胞并根据代数和官能团性质选择不同的内吞机制。这些发现为设计具有特定膜-粒子界面行为的表面工程纳米载体提供了指导：通过合理引入刚性疏水基团和调控其空间排列，可以实现对粒子吸附、穿膜和细胞内化路径的精确控制。
Nano Polymers · 2025-06-10

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