吸入性纳米粒子与肺泡交互作用的分子重构及界面力学行为研究

Nanoparticles of different sizes, shapes and surface properties abundantly exist in environment that impact human health, while the underlying mechanisms still remain unclear. Specifically, inhaled nanoparticles deposit in the alveoli, where they first interact with the pulmonary surfactant (PS) to cause dysfunction of the alveoli. PS corona can be formed on nanoparticles to change the inherent properties of nanoparticles, thus influencing their subsequent fate and behaviors inside the body. In this project, we will combine multiple experimental techniques, including Langmuir-Blodgett (LB), Atomic Force microscopy (AFM) and Constrained Drop Surfactometry (CDS), with the molecular simulation to investigate molecular remodeling and interfacial mechanics of interactions between inhaled nanoparticles and the alveoli. Twofold molecular remodeling will be considered. First, the micro-phase and conformations of PS molecules at the interface could be perturbed by interacting the nanoparticles. Second, PS molecules can adsorb onto nanoparticles, rearranging themselves to form the corona structure. The mechanical perturbation is reflected by changing mechanical properties of the compressibility (expansibility) and the bending modulus of the PS by deposited nanoparticles. At the same time, we will consider the effective pathway and mechanisms for alveolar interfacial transport of different nanoparticles. The effect of environmental factors on the interactions will also be raveled by introducing typical environmental pollutant, such as the polyaromatic hydrocarbon, into the system. This project will help ravel relations between physicochemical properties of nanoparticles and the alveolar toxicity, and provide useful information for assessing the health risk of nanomaterials.

环境中存在大量尺寸不一、形状各异、性质多样的纳米粒子，威胁人类健康，机理却不十分清楚。其中，吸入性纳米粒子沉积于肺泡，并首先与肺表面活性剂（PS）发生交互作用，干扰肺泡的生物功能，通过形成corona改变纳米粒子的原有理化性质，进而影响其生物学行为。本项目拟综合利用LB、AFM、CDS以及分子模拟等多种实验与模拟技术，对吸入性纳米粒子与肺泡交互作用的分子重构及界面力学行为进行研究。重构有两方面，一是纳米粒子对肺泡表面PS分子在微相、构象等方面的扰动，二是PS分子在纳米粒子表面的吸附、重排，从而形成corona结构；力学扰动表现为纳米粒子对肺泡表面PS在可压缩（扩张）性、弯曲模量等力学性质的影响。同时，关注不同性质纳米粒子完成肺泡界面输送的有效路径和机理，并阐明环境因素对相互作用的影响。本项目的开展将有助于理清纳米粒子理化性质与肺泡毒性之间的关系，为纳米材料的健康风险评估提供有用信息。

大气环境中存在大量纳米颗粒（NPs），这些NPs可经呼吸进入人体，危害人体健康。吸入性NPs沉积于肺泡，首先与肺泡气液界面的肺表面活性剂（PS）交互作用，产生两方面的影响：1--NPs可以破坏PS的超微结构和力学性能，进而损伤PS的正常生物功能；2--NPs可经不同方式穿透PS单层，且PS可在NPs表面吸附，影响NPs与下游细胞膜的交互作用。但是，NPs与PS及细胞膜的相互作用机理却不清楚。基于上述背景和问题，本项目综合利用分子模拟和实验方法，系统研究了不同性质NPs分别与PS和下游细胞膜的相互作用。获得了如下研究结果：（1）系统构建了5种常见材质的纳米塑料模型，解析了PS在纳米塑料表面吸附的单分子层结构特征，且纳米塑料可在PS作用下发生溶解；（2）从单一NPs发展到纳米复合物，揭示了聚集态碳纳米管具有更高的PS界面扰动能力，石墨烯可在PS竞争作用下释放表面吸附的多环芳烃，进而增强对PS的结构损伤；（3）针对不同材质纳米塑料，阐明了聚合物-聚合物、聚合物-磷脂相互作用的竞争效应，及其不同的细胞膜相互作用路径；（4）构建了磁性NPs模型，揭示了NPs主被动旋转振荡作用下，细胞膜的力学和形貌响应规律；（5）明晰了双亲性生物分子在不同理化性质NPs表面吸附构型，揭示了生物分子吸附对NPs-细胞膜相互作用的影响；（6）设计了一类双亲聚合物修饰的NPs，通过聚合物自适应伸展与卷缩，实现蛋白质吸附的有效抑制，并能实现细胞膜的有效摄入；（7）在细胞紧密堆积状态下，NPs进入细胞间隙，通过与相邻细胞膜竞争性相互作用，抑制细胞摄入；（8）结合弹性力学理论和分子模拟，揭示了细胞膜异侧NPs通过共享细胞膜曲率完成有效包裹，进而驱动NPs的跨细胞膜有序组装。本项目的研究结果将有利于从分子水平理解大气NPs的肺泡界面行为规律，为理清NPs理化性质与肺泡毒性之间的关系提供重要的信息。

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