国家重大科学研究计划项目“生物医学纳米材料对血细胞作用的研究”工作进展与讨论

结合多模态纳米探针进行淋巴癌等血液恶性肿瘤的在体分子成像与疗效评价研究

东南大学 顾宁 教授


1. 纳米颗粒与肺表面活性剂相互作用的分子动力学模拟研究

近年来,纳米颗粒在呼吸药物输运系统方面的生物医学应用得到较多的关注。然而,当纳米颗粒通过呼吸途径经由肺泡进入体内,纳米颗粒首先将与肺泡的第一道生物屏障(肺表面活性剂)进行作用。肺表面活性剂在维持呼吸过程中肺泡的力学性能具有重要的作用,并存在典型的相转变过程,肺表面活性剂结构和功能的扰动将可能带来一些负面影响。因此,研究纳米颗粒与肺表面活性剂相互作用对于设计合适的纳米颗粒用于呼吸药物输运系统具有重要的意义。在与相关实验学者的广泛交流讨论之后,我们运用粗粒度分子动力学模拟的方法研究了不同亲疏水性的纳米颗粒与气-液界面磷脂单分子层(模型肺表面活性剂)的相互作用。研究结果表明:亲水性纳米颗粒能够很容易的跨过磷脂,并几乎对磷脂单分子层的结构和性质没有影响;疏水性纳米颗粒在跨膜过程中则对磷脂单分子层存在较大扰动,且抑制甚至逆转磷脂单分子层压缩过程中的正常相变过程;通过对疏水性纳米颗粒表面进行亲水处理如PEG修饰,可有效降低疏水性纳米纳米颗粒对磷脂单分子层结构和性质、功能的影响。我们的结果对设计纳米颗粒用于呼吸药物输运系统具有一定的指导意义。
Xubo Lin, Tingting Bai, Yi Y. Zuo, Ning Gu. Promote Potential Applications of Nanoparticles as Respiratory Drug Carrier: Insights from Molecular Dynamics Simulations. Nanoscale, 2013, DOI: 10.1039/C3NR04163H.


2. Co3O4纳米颗粒的多酶活性及其免疫组化应用

酶由于具有较高的催化活性和对底物的特异性,一直是生物检测中的一种重要工具。但天然酶容易失活,储存困难,活性易受pH、温度等环境因素影响,较大地限制了其应用范围。因此,具有类酶活性的模拟酶逐渐引起大家的关注。

最近,有研究发现Fe3O4纳米颗粒具有类过氧化物酶活性,有望替代天然辣根过氧化物酶应用于生物检测中。随后,众多材料如Au、Pt、石墨烯等多种纳米材料都被发现具有类似的活性,但这些模拟酶普遍活性较低,如何获得具有更高催化活性的模拟酶遂成为研究的热点。

本文通过对模拟酶催化机制的分析,合成了Co3O4纳米颗粒,这种新的模拟酶材料被发现拥有过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶多种催化活性,且由于Co3+/Co2+氧化还原电位高于Fe3+/Fe2+,新合成的Co3O4纳米颗粒催化活性远远高于原先报道的Fe3O4纳米颗粒。通过电子顺磁共振等技术手段,我们发现其催化机制不遵循Fe3O4纳米颗粒的Fenton反应机制,本文基于一些辅助性实验,提出了Co3O4纳米颗粒的电子传递机制。基于Co3O4纳米颗粒的高过氧化物酶活性,本文还将Co3O4纳米颗粒与avastin抗体进行偶联,发展了一种检测肿瘤组织血管生长因子VEGF的免疫组化新方法。 本文的工作为开发高催化性能的模拟酶提供了一种新的思路,所发展的检测方法学也可以为后续的模拟酶开放工作提供参考。
inlai Dong, Lina Song, Jun-Jie Yin, Weiwei He, Yihang Wu, Ning Gu and Yu Zhang, Co3O4 Nanoparticles with Multi-Enzyme Activities and its Application in Immunohistochemical Assay, ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, DOI: 10.1021/am405009f. 


3. 胆固醇对C60跨磷脂双层膜的影响

胆固醇对磷脂膜的结构和纳米颗粒渗透有重要影响。利用分子动力学模拟方法,我们研究胆固醇对C60跨磷脂膜的影响。我们模拟一系列的粗粒度体系来研究胆固醇对DPPC bilayers的结构影响,导致体系中平均单脂面积减小,膜厚增加,尾链有序性增加,而且胆固醇平均倾角减小。

随后,我们得到一系列的C60的跨膜轨迹。发现C60能自发的进入膜内,并稳定的存在于疏水区而不会从另一侧出去。我们计算不同体系的自由能曲线,发现从水相到膜内只有很小的能垒,而C60能克服这个能垒进入膜内,而从膜内到水相有很大的能垒,C60不会从另一侧出去,稳定的存在于疏水区。我们还计算了C60跨膜的渗透系数,发现随着胆固醇浓度的增加,渗透系数减小。这些主要归因于体系的自由体积的减小,C60需要打破的分子间作用力增加,导致扩散变慢。

我们的研究结果有助于深入地了解胆固醇的作用,能更好地在纳米医学领域应用C60。
Dandan Sun, Xubo Lin, Ning Gu, Cholesterol affects C60 translocation across lipid bilayers, Soft Matter,2014,DOI:10.1039/C3SM52211C.


4. 纳米银修饰的硅质体

我们首先合成了一种比传统的磷脂膜材更稳定的脂质膜材,它能在pH3的水相中自组装成为比脂质体更加稳定的双分子层囊泡----硅质体。在此基础上,使用原位合成的方法制备了纳米银粒子修饰的硅质体。对样品进行了水动力尺寸和扫描电子显微镜、透射电子显微镜表征,扫描电镜结合能谱(EDS)表征证明了硅质体表面确有纳米银存在。由于硅质体具有良好的形貌稳定性,纳米银粒子可以在其表面长时间均匀地分布。样品具有单一的紫外吸收波长(406nm),说明合成的纳米银离子具有比较均匀的尺寸和球形形貌。我们筛选了多种常用的还原剂,发现硼氢化钠效果最理想,然后又优化了还原剂NaBH4和膜材的比例,最后发现KNaBH4/CFL =2是最佳的比例。我们最后对其进行了稳定性考察,结果显示样品可以保持稳定的形貌90天以上。

实验结果显示这种有机-无机复合纳米粒子没有明显的细胞毒性,并且整合了双分子层囊泡和无机金属纳米粒子的优点,值得我们对其应用进行深入探索。
Lushen Li, Gaoxin Zhou, Jin Cai, Junqing Chen, Peng Wang, Tianzhu Zhang, Min Ji, and Ning Gu, Preparation and characterization of a novel nanocomposite: silver nanoparticles decorated cerasome, J Sol-Gel Sci Technol, 2013, DOI: 10.1007/s10971-013-3204-5


5. 携带磁性纳米颗粒载药微囊的制备及肿瘤治疗的应用研究进展

随着化疗在肿瘤综合治疗中的重要性提高,药物载体技术也取得了显著发展。尤其随着纳米技术与现代医学和生物学的交叉融合,纳米生物医学取得了长足发展。其中磁性纳米材料由于其独特的性能而备受关注,磁靶向药物传递系统是以磁性复合颗粒作为药物载体,进入生物体后,在磁场的作用下,磁性载药微粒富集于病变部位,所负载的药物受控释放,实现靶向治疗;此外,磁性纳米颗粒在交变磁场作用下能产生热能,还可实现局部热疗。因此,具有靶向药物释放和热疗的多功能磁性微囊已发展成新型的药物载体。本文主要综述了磁性脂质体药物载体、磁性聚合物微球药物载体、磁性聚合物电解质微囊药物载体以及其他磁性药物载体的研究进展。
房坤,杨芳,顾宁, 携带磁性纳米颗粒载药微囊的制备及肿瘤治疗的应用研究进展, 中国肿瘤临床 2014, 41(1). http://www.cjco.cn/CN/abstract/abstract10111.shtml

6. 磁性纳米颗粒作为基因递送载体的研究进展

基因递送是实现基因治疗的关键,基因的有效递送有赖于发展安全有效的递送载体。理想的基因递送载体应具备递送效率高、细胞毒性低、对正常细胞生理影响小以及易于使用和重复等特性。纳米材料独特的理化性质使其在药物和基因递送领域具有潜在的应用,尤其是磁性纳米颗粒,其兼具纳米效应和超顺磁性,是一种非常有应用前景的载体材料。然而磁性纳米颗粒的基因递送效率受多种因素的影响, 包括纳米颗粒的类型、粒径、表面特性和外加磁场等。因此,为了能够进行有效基因递送,应综合考虑设计磁性纳米颗粒。目前, 磁性纳米颗粒已经成功应用于基因的体外转染,成为细胞生物学研究的重要工具,然而,其在体内基因递送的应用方面还存在着诸多问题,有待进一步深入研究。
郭大伟,朱玲英,顾宁.磁性纳米颗粒作为基因递送载体的研究进展.中国材料进展,2013,32(10)