纳米颗粒对细胞膜的作用

顾 宁，李 洋

东南大学生物科学与医学工程学院，南京210096

纳米颗粒对细胞膜的作用

顾 宁，李 洋

东南大学生物科学与医学工程学院，南京210096

纳米颗粒在生物医学领域有着广泛的应用前景。在纳米颗粒与细胞相互作用的研究中，颗粒对细胞膜作用的相关研究，对揭示纳米颗粒的生物效应是至关重要的。纳米颗粒对细胞膜的影响有很多种，主要体现在对细胞膜结构和性质，以及对膜上生物大分子（蛋白质等）功能的影响等方面。这里综述了近年来纳米颗粒对细胞膜作用的相关研究成果，分别从颗粒的自身物理化学性质（尺寸、形状、表面形貌、亲疏水性质、表面电荷、特异性修饰等）、颗粒与细胞作用的环境因素，以及外界能量对颗粒与细胞膜作用的调控三个方面出发，就纳米颗粒作用对细胞膜影响的问题分别进行了分析和总结。

纳米颗粒；细胞膜；物理化学性质；环境影响；外场调控

0 引 言

纳米颗粒在生物医学领域有着广泛的应用前景。细胞是生命体的基本活动单元，作为分隔细胞内外的物理屏障,细胞膜不仅保证了细胞的完整性，还参与进行信息和能量传递等多种细胞活动。因此，纳米颗粒对细胞膜作用的相关研究，对于进一步认识纳米颗粒的生物效应，具有非常重要的意义。

目前，纳米颗粒对细胞膜作用的研究，主要集中在颗粒的膜上吸附、跨膜转运及其在作用过程中对细胞膜及膜上生物分子的影响等方面。细胞膜是多种生物分子的组装体，纳米颗粒对细胞膜的作用可以表现为纳米颗粒对成膜的脂质分子及膜上其他生物大分子（蛋白等）的结构和性质的影响。

颗粒的作用会导致膜生物分子结构的变化，比如纳米颗粒的吸附会导致脂质分子的重组，颗粒表面的拓扑结构会刺激膜上肌动蛋白的伸展等。颗粒作用所导致的生物分子的变化可能是不可逆的，比如某些纳米颗粒会导致磷脂分子氧化等；也可能是可逆变化，比如纳米颗粒的嵌入可能刺激膜离子通道结构的变化等。

颗粒作用对成膜分子所产生的影响最终可能导致细胞膜整体的变化，包括膜的结构变化和性质变化两个方面。

1）纳米颗粒对细胞膜的作用会导致膜结构的变化，比如，纳米颗粒的吸附可能导致膜厚度、有序度、单脂分子面积等的变化，某些纳米颗粒的作用甚至还可能在膜上形成孔洞。细胞膜的这些结构变化最终可能会影响细胞的活性。细胞膜的结构变化还可以体现为膜曲率的变化。颗粒的膜上吸附可能造成膜的弯曲，而膜泡的曲率变化与诸多细胞活动密切相关。以研究较多的内吞机制为例，细胞的内吞机制包括吞噬方式和受体介导的内吞方式等[1]。内吞机制也是纳米颗粒跨膜运输的主要形式。不管以何种方式内吞，细胞膜本身都将经历一个强烈的曲率变化过程，同时也是膜脂质分子重构的过程[2]。一般来说，细胞的内吞过程需要能量和某些蛋白的辅助，不同蛋白介导不同的内吞行为。而纳米颗粒因其不同理化性质对细胞膜的刺激，可能引发细胞不同的内吞机制，虽然已经有大量的试验和理论分析对此进行了研究，但仍然存在着许多问题：比如纳米颗粒的吸附如何影响相关膜蛋白辅助膜弯曲，从而形成内吞小泡；吞噬过程中脂质分子又经历了怎样的变化过程，等等。

2）纳米颗粒作用于细胞膜时，导致膜结构变化的同时，往往也会改变细胞膜的性质。纳米颗粒的作用可能导致磷脂膜的相行为发生变化[3]。带电颗粒的吸附可能会导致细胞膜上不同磷脂分子的分相，相应的结果可能会对细胞的信号转导产生影响[4]。纳米颗粒的作用还可能影响磷脂膜的其他一些性质，比如表面张力[5]、侧向张力[6]、跨膜势[7]、扩散系数[8]等参数。对于细胞膜性质变化的分析，有助于进一步理解纳米颗粒对细胞膜的作用机理。

引起上述各种细胞膜响应的因素很多，大致可以分为三个方面：纳米颗粒自身物理化学性质所产生的影响、环境因素的影响，以及外界能量调控的影响。这里就这三方面因素对纳米颗粒与细胞膜作用的影响，总结了近年来的一些相关研究成果，并对以后研究中可能需要关注的若干问题，进行初步的讨论与分析。

1 影响纳米颗粒对细胞膜作用的因素

1.1 纳米颗粒自身的物理化学性质

纳米颗粒是一种通过物理或化学结合力组成的、相对稳定的微观或亚微观聚集体。它们处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是典型的介观系统。材料在进入纳米尺度时，其物理-化学特性较之宏观尺度材料，会发生很大变化。纳米颗粒自身独特的理化性质是影响纳米颗粒对细胞膜作用的首要因素[9]。目前研究中所涉及的纳米颗粒的性质主要包括：尺寸、形状、表面形貌、结晶度（crystallinity）[10,11]、亲疏水性质、表面电荷性质、表面特异性修饰、聚集态[12,13]、颗粒浓度[14]等。而在真实的体系中，纳米颗粒作用对细胞膜的影响可能是上述某一种因素起主导作用，也可能是多种因素共同作用的结果。下面对已有研究中关注较多的几种性质分别作简单的总结。

1.1.1 尺寸

尺寸效应是所有纳米颗粒相关研究中最受关注的一个方面。在研究中发现，小尺寸纳米颗粒的作用可能会引起细胞的氧化应激反应。在颗粒吸附细胞膜的过程中，纳米颗粒可能会氧化组成细胞膜的脂质分子[15]和蛋白质[16]，从而对细胞的活性造成损害。此类作用的原因，多是由于纳米颗粒的高表面能性质会导致组成细胞的生物大分子的化学性质发生变化。对于同种纳米颗粒而言，尺寸越小，其表面能可能越高，对生物分子的氧化作用可能就越强烈。

除了纳米颗粒与成膜分子之间的化学作用所导致的生物毒性之外，从单纯的物理作用角度看，纳米颗粒的尺寸因素所导致的细胞响应机制，也是需要研究的问题[9]。近年来的研究发现，表面改性的纳米颗粒与细胞膜作用，存在着嵌入膜内的作用方式[3,17]。颗粒的嵌入降低了磷脂膜的弯曲系数，并影响膜的其他结构参数，比如单脂头基面积等[13]，并且，细胞膜的这些性质的变化会因嵌入膜内颗粒的尺寸变化而有所不同。嵌入的纳米颗粒在膜内部的运动情况，也与颗粒的尺寸有关。随着颗粒尺寸的增加，纳米颗粒的扩散作用呈减小的趋势[18]。

除了上述类似扩散的跨膜方式以外，目前已经被普遍认知的纳米颗粒的跨膜方式，是通过细胞的内吞机制进入胞内。不仅不同尺寸的纳米颗粒所导致的内吞机制存在着差异[1]，即使是对于同一种内吞方式，尺寸变化所导致的细胞对纳米颗粒的吞噬量也可能不同[19,20]。纳米颗粒尺寸因素导致的细胞内吞的差异，与颗粒在细胞膜表面的吸附能[21]，以及细胞膜上的内吞辅助蛋白对不同尺寸异物的响应机制密切相关[1]。

通过以往的研究可以看出，不同尺寸的纳米颗粒对细胞膜的影响可能是不同的，这些影响可能会直接或间接地影响细胞的活性。尽管可通过表面包覆等手段控制小尺寸颗粒的高表面能等因素所导致的细胞毒性[22]，但纳米颗粒因单纯的尺寸因素所导致的细胞毒理性问题，在研究中也是不容忽视的，此类问题在任何纳米级微粒的应用中，都应该首先考虑。

1.1.2 形状

随着纳米颗粒形貌调控技术的发展，纳米颗粒的形状因素对颗粒与细胞作用的影响越来越受到关注。细胞膜对不同形状纳米颗粒的响应存在着差异。在颗粒与细胞作用中，细胞膜功能和膜上分子的运动都会不同程度地受到所吸附的纳米颗粒形状变化的调控，进而可能影响细胞对纳米颗粒的内吞作用[23]。近期的一些研究发现，与传统的球形纳米药物载体相比较，链状纳米颗粒作为药物释放载体，能够增加药物在血液中的停留时间，更有利于药物的缓释[24]。其他一些试验也得到了类似的结果，长圆柱纳米胶束载体有利于药物在血液中的长效循环[25]。

上述纳米颗粒能够在体内长效循环的关键因素，在于颗粒能否不被巨噬细胞吞噬。一些相关实验表明，纳米颗粒能否启动巨噬细胞的吞噬行为，很大程度上取决于颗粒的形状因素。但从微观上看，启动巨噬细胞吞噬的因素，不仅与纳米颗粒的整体形状，更与颗粒在细胞膜上附着点的几何结构密切相关。当这些纳米颗粒吸附在膜表面时，可以看到细胞膜上相应位置的肌动蛋白形成了环状结构，从而能够触发巨噬细胞的吞噬行为。在这些试验中，尺寸因素仅仅决定了纳米颗粒能否被细胞膜完全包裹[26]。

此外，颗粒的形状因素对细胞膜及膜上蛋白的影响，还表现在细胞对纳米颗粒的内吞量上，但在形状对内吞作用的影响趋势上所得到的一些试验结论似乎存在着分歧。圆柱形颗粒内化量取决于颗粒自身的长径比，长径比为3的纳米颗粒的内化量是与其同等体积的球形颗粒内化量的4倍[27]。而在其他一些研究中发现，金纳米颗粒通过膜上受体介导的内吞过程，却随着颗粒长径比的降低而显著增加[20]。其中的差异，或许是因为颗粒的其他因素也可能会影响细胞膜曲率变化的缘故，比如，颗粒表面的化学修饰和颗粒自身的机械弹性等因素，也同样会影响颗粒对细胞膜的作用结果。纳米颗粒形状因素对颗粒的组织靶向效率同样存在着影响，椭圆盘形状纳米颗粒的靶向效率比球形颗粒要高[28]。非球形颗粒的高靶向性是由于非球形颗粒与细胞膜作用时，颗粒在膜上的吸附能力更强所造成的，已有一些理论工作对此进行了相应的阐述[29,30]。

纳米颗粒的形状因素引起的生物学效应，多与细胞膜吸附时的曲率变化和膜上蛋白质在吸附附着点的结构变化相关，这部分研究还尚在探索阶段。

1.1.3 表面形貌

细胞在不同形貌纳米颗粒表面吸附的研究由来已久。由于微纳尺度拓扑结构与机体内细胞生长的自然环境相似，近年来，随着微加工工艺的不断深入，有关纳米拓扑结构的构建以及对细胞行为影响的研究迅速增加，并逐渐形成一个热点方向[9]。各种材料表面的拓扑结构（突起或凹陷）和特征不尽相同，主要包括结构尺寸、密度和特定几何形状等。细胞能够感应纳米拓扑结构的变化，表面结构的微小改变可能引起细胞膜应答的巨大变化，主要也是体现在细胞膜形态变化，以及膜上与细胞膜形态相关的蛋白质（肌动蛋白等）的结构变化等方面。

在材料表面形貌对细胞吸附影响的相关研究中，对于表面结构尺寸因素的研究较多。结构尺寸的变化可能会刺激细胞骨架发生变化。已有研究中发现，结构高度不明显的纳米点表面能够抑制细胞在上面的吸附[31]；而形貌结构更高些的材料表面，能够促进吸附在其表面上的细胞的形态变化，主要表现为细胞膜上张力纤维的增多，这会加速细胞的延伸[32]；当进一步增高表面结构时，张力纤维的变化反而变得不太明显，但与平坦基底上的对照组相比，结构表面附着的细胞，其伪足数量更多[33]。

不仅是表面结构的尺寸因素，细胞膜对表面结构的密度变化也具有识别能力[34]。与大结构间距相比，小间距表面结构的材料，更容易加速细胞在其上面的扩展速度[35]。

表面结构的特定几何形状同样会对吸附在材料表面的细胞膜结构产生影响。表面拓扑形状的变化能够调节细胞膜的肌动蛋白纤维的排列方式，从而导致细胞骨架的张力变化[36]。

材料表面结构对吸附其上的细胞还可能存在破坏作用。在近期的一些研究中发现，修饰在基底上的纳米颗粒，会导致在基底上吸附的支撑膜的曲率发生变化；颗粒尺寸的变化甚至可能导致支撑膜结构的破损[37]。其他一些相关实验也得到了类似的结果，在细胞吞噬过程中，一定表面结构的纳米材料可能会使得吸附其上的细胞膜受损，表现为细胞骨架在吞噬过程中发生破裂现象[38]。

除了通过微加工工艺构造表面拓扑结构外，材料的特异性修饰也会导致材料表面拓扑结构的变化。经过表面修饰的材料，其表面形貌对吸附的细胞也存在着影响，这与材料表面修饰基团的化学组成及其机械弹性紧密相关，两者共同作用，共同影响细胞膜或蛋白质的吸附行为[37]。

纳米材料表面形貌的生物效应的相关研究，对于某些生物体系研究方法的合理应用，也是非常重要的。支撑膜技术作为一种生物载体和试验手段，已经广泛地应用到试验研究中，比如生物传感器等研究[39]，但附在刚性基底上的支撑膜，本身属于软物质，很容易受到支撑基底表面拓扑结构的影响。当基片表面结构影响不容忽视时，其实验结果也可能存在着各种问题[40]。

总之，纳米材料表面形貌因素对材料与细胞作用的影响，与细胞膜与膜上蛋白质在表面结构上的吸附密切相关，但由于影响材料表面形貌的因素很多，其导致的细胞效应也非常复杂，这方面的研究至今还没有定论。

1.1.4 亲疏水性质

亲疏水性质是纳米颗粒的重要物理性质。以材料制备为例，亲疏水因素会影响纳米颗粒的组装行为，一些纳米结构的自组装过程就是在颗粒的亲疏水性驱动下完成的。对于载药系统设计，可以通过改变颗粒表面的亲疏水性质，改变颗粒的不同装载位置。疏水颗粒嵌入载药双层膜泡的内部[3,41]，亲水颗粒吸附在载体双层膜泡的表面或内腔[41,42]；不同亲水程度的修饰，可能会影响纳米颗粒与磷脂膜最终形成的组装体的性质，比如粘弹性等[43]。亲疏水作用也是推动细胞诸多分子活动正常进行的重要因素，脂质分子组装成膜，蛋白质折叠、蛋白质与脂质分子的相互作用等活动都有亲疏水作用的参与。

同样的，在纳米颗粒与细胞膜的相互作用中，颗粒的亲疏水性也扮演着非常重要的角色。已有许多研究结果表明，疏水纳米颗粒与细胞作用时，能够嵌入到细胞膜的疏水内部[8]。纳米颗粒的嵌入也可能会引起膜脂质分子的疏水匹配行为[5]，颗粒的尺寸决定了脂质分子疏水匹配的方式。嵌入颗粒尺寸大于细胞膜尺寸，会导致正疏水匹配，膜相应部分变厚；嵌入颗粒尺寸小于细胞膜尺寸，会导致负疏水匹配，膜相应部分变薄。对于双层膜而言，疏水匹配可能导致膜双层的不对称，从而造成磷脂膜不同程度的弯曲[2]。疏水纳米颗粒的嵌入还可能直接导致细胞膜性质的变化，比如，纳米颗粒的嵌入会影响细胞膜表面张力，进而可能影响那些受到膜张力控制的通道蛋白的功能[44]。而当疏水颗粒经过表面的亲水化修饰之后，颗粒与膜的作用方式由嵌入变成了吸附[8,45]。除了上述考虑材料整体的表面情况之外，在制备中也可以对材料表面进行区域性的亲疏水修饰[46]。Balazs等人[47]模拟了表面区域化亲疏水的纳米颗粒对细胞膜的作用情况。模拟中发现，颗粒的疏水部分会嵌入细胞膜内，而亲水部分暴露在膜外的水相中。当多个颗粒发生聚集时，颗粒的作用可能会在膜上形成一个亲水孔，从而导致膜表面发生破裂。上述现象表明，可能通过颗粒表面的亲水化修饰，达到调节纳米颗粒与细胞膜作用方式的目的。

1.1.5 表面电荷性质

静电作用广泛存在于自然界中，在许多相关领域的科研及生产实践中，有关带电微粒的生物医学效应的研究越来越受到重视。诸如一些细胞行为，比如对磷脂-DNA复合体的吞噬[48]，以及病毒蛋白的内化过程[49]等，静电作用在其中都起了重要的作用。

细胞膜本身是柔性的分子组装体，与离子相比，纳米颗粒与柔性界面的相互作用更为复杂。已经有大量的实验结果说明，带电颗粒与细胞相互作用时，颗粒的吸附能够引起细胞膜结构的变化。以PAMAM dendrimer纳米颗粒为例，表面带电的纳米颗粒会通过在膜上穿孔的方式跨膜，但不同于中性颗粒的是，在实验中观察到带电颗粒作用留下的可能孔洞会导致细胞内液的外渗，从而造成细胞膜根本性的结构损伤[50,51]。带电纳米颗粒对细胞膜的扰动作用具有较为普遍的意义[52]，在其他一些带电纳米颗粒 (包括带电脂质体、多肽、表面修饰正电的金纳米颗粒[53]和硅土颗粒)与磷脂膜 (包括人工膜泡[54]、脂质体[55]及细胞膜[56])作用的实验，以及一些相关的计算机模拟研究中[57,58]，都观察到了类似颗粒导致膜扰动的现象。

不同成分的带电颗粒对细胞膜的作用存在着差异，这与带电颗粒自身的性质有关。比如，与柔性纳米颗粒相比，刚性颗粒可能会引起细胞膜较大的形变[59]。即使对于相同成分的纳米颗粒，不同带电颗粒所导致的生物效应同样存在着差异[60]。以纯硅纳米颗粒、磷酸化硅纳米颗粒、氨基化硅纳米颗粒这三种体系为例，在相同实验条件下，三种颗粒的作用对细胞吞噬效率、细胞增殖及细胞周期的影响会依次增大。这种差别来自纳米颗粒表面修饰的不同基团导致表面所带电荷密度的差异[61]，以及对辅助膜弯曲的膜上蛋白质的影响差异[62]等方面。过去的一些研究，主要集中在带电颗粒与带相反电性的磷脂膜之间的相互作用方面，涉及带电颗粒与中性膜的研究较少。然而在最近的一些研究中发现，吸附在中性磷脂膜上的带电颗粒，能够导致膜结构局部有序度的变化[63,64]。同时，磷脂膜的相行为也会受到带电颗粒吸附的影响，正电性颗粒导致磷脂膜的流相变化，负电性颗粒导致磷脂膜的胶相变化[59]。带电颗粒与生物膜间的这些复杂行为，引起了研究者的广泛关注，有关带电颗粒吸附或内化行为的文章也越来越多。尽管如此，鉴于生物行为的复杂性和目前实验条件的局限性，这些现象背后蕴含的分子机制和物理解释还很难给出清晰的定论。

1.1.6 表面特异性修饰

纳米颗粒的表面修饰不仅可以在一定程度上改变粒子的物理化学性质（如之前所涉及的纳米颗粒的亲疏水和表面电荷等性质，都可以通过表面修饰的方法实现），也带给纳米粒子新的功能，如透膜性、靶向性、智能响应性和体内长效循环等。这里所说的特异性修饰，主要指后者。

1）透膜性。一些研究者发现，通过改变表面修饰的方法，也可能控制纳米颗粒的跨膜行为。以彼此间隔的形式在金纳米颗粒表面涂上负电荷配合基和疏水配合基，可以使纳米颗粒直接穿入细胞而不会在细胞上留下洞穴，从而不会引起细胞的死亡。如果这些配合基在纳米颗粒表面是随意排列的，那么即使是涂上相同数量的配合基，这些颗粒也不能直接穿过细胞膜[65]。

2）靶向性。细胞膜上有许多膜蛋白，可以通过在颗粒表面修饰特定分子，来增强纳米颗粒与细胞膜作用的靶向特性。叶酸是一种相对分子质量低的维生素，由于叶酸受体在肿瘤细胞表面会过度表达，因此可将叶酸连接到纳米粒，以增强其主动靶向癌细胞的几率。相关的研究已经证实，叶酸偶联铁氧体纳米颗粒，可通过细胞膜上叶酸受体介导途径，主动靶向富集叶酸受体丰富的肿瘤细胞，从而可以达到增强后期治疗的目的[66]。细胞穿膜肽在纳米颗粒的表面修饰中也多有用到，其作用方式因多肽和细胞的类型不同而存在差异。例如，表面修饰了HIV TAT多肽的金纳米粒子可能通过脂筏介导的巨胞饮途径进入HeLa和HepG2细胞[67]，而修饰了SAP多肽（sweet arrow peptide）的硬脂球颗粒，可能会通过细胞膜上的小窝蛋白或网格蛋白介导的内吞方式，进入人视网膜上皮细胞（ARPE-19）[68]。化学偶联单克隆抗体可以增强纳米颗粒对细胞表面抗原的主动靶向性。采用颗粒表面引接具有生物活性的专一性抗体的方法，制备免疫纳米颗粒，可用于快速有效地进行细胞分离或免疫分析等研究[69]。

3）智能响应性。利用颗粒与细胞作用环境的某些因素，针对细胞膜内吞辅助蛋白对外界刺激的响应机制，可以通过对纳米颗粒的多层次修饰，达到制备“智能性”载药体系的目的。Liu等人[70]利用脂质体包裹带正电或负电介孔二氧化硅的方法，制备了一种纳米载药体系。在制备过程中，可以通过调整脂质体的组成与体系的电荷数，以及控制制备过程的融合工艺等手段，达到调整载体负载量的目的[71]。该材料在被细胞内化后，可以根据周围环境的pH值，释放载体的内涵物，有利于释放药物的作用效率。制备“智能性”载药体系的关键，在于选择对环境变化敏感的材料，光敏材料和对pH值敏感的材料在以往的研究中多有用到。

4）体内长效循环。纳米颗粒与细胞膜作用的前提是颗粒吸附在膜表面。而开发某些纳米载药体系，往往需要降低纳米颗粒在细胞膜表面吸附的几率，避免载药颗粒被巨噬细胞吞噬，从而达到药物长效缓释的作用，可以通过颗粒表面修饰的方式达到这个目的。非离子性表面活性剂是一种常用的长循环修饰材料，其原因可能是由于表面活性剂的使用可以减少颗粒与溶液中蛋白的吸附[72]，从而减小颗粒被巨噬细胞吞噬的几率。而双亲性的壳聚糖、环糊精等多糖材料的应用，可以保证纳米颗粒在体内的长效循环外，还可以起到提高药物包封率和载药量的效果[73]。

综上所述，可用于纳米颗粒表面修饰的材料及其相应的制备工艺有很多，可以根据细胞膜上蛋白质对外界物质的识别能力，通过对纳米颗粒表面修饰的途径，增强颗粒对细胞膜的作用。

1.2 体系环境因素的影响

除了上述纳米颗粒的自身性质会对颗粒与细胞膜作用产生影响之外，体系所处环境中的诸多因素，比如温度、pH值、离子浓度、光照、溶液组分等，也可能影响纳米颗粒对细胞膜的作用。

1）温度。细胞对纳米颗粒的胞吞作用通常具有温度依赖性。细胞膜是液晶相自组装体，温度的变化会引起脂质分子的相变，温度的降低可能会使细胞膜从流相变为胶相，膜的弯曲模量会变大，因其细胞对颗粒的胞吞能力降低；相反，温度升高会增加细胞膜的流动性，加剧细胞膜的振荡行为，相应的胞吞能力可能越强[74]。温度对细胞膜的影响在一些特殊纳米颗粒与细胞的作用中多有应用（见2.3节）。

2）pH值。溶液pH值可能会影响生物膜的弹性。当1-硬脂酰基-2-油酰基卵磷脂(1-stearoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)膜处在酸性条件（pH=2）时，磷脂膜的压缩弹性降低，同时膜的弯曲弹性也会随着溶液酸碱度的变化而变化[75]。在纳米载药运输的相关研究中，还会特别利用生理环境的pH值对纳米药物载体运输效率的影响，开发一些智能性的纳米药物载体。Tada[76]制备了蛋白质/磷灰石复合物纳米颗粒，并针对HeLa细胞，考察了这种纳米颗粒对于包在内部的蛋白质的运输效率。研究发现，纳米颗粒会通过内吞作用进入细胞，颗粒的磷灰石部分会在内吞小泡中的酸性环境下溶解，从而释放出内部的蛋白质。合成pH值响应型的药物运输材料也是智能性材料制备的一个研究方向。

3）离子浓度。溶液中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-等离子及其浓度变化也会影响细胞膜的性质。Pabst等人[77]考察了NaCl和 CaCl2溶液对1-棕榈酰基-2-油酰基卵磷脂(1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine)磷脂膜的影响，发现增加盐溶液的浓度会升高膜脂质分子的有序度，从而导致膜弹性的下降。相比之下，Ca2+对膜弹性的影响更大。一些理论模拟工作对上述现象作出了解释，pH值及盐离子浓度改变了膜的表面电荷密度以及德拜长度，从而对细胞膜的性质产生了影响[78]。溶液中离子浓度的变化不仅对细胞膜性质、膜上离子通道等有影响，还可能影响纳米颗粒的性质。Dendrimer纳米粒子在溶液中的行为会受到多价盐离子的影响。在静电作用下，多价盐离子会与单价盐离子在颗粒表面发生吸附置换。盐溶液浓度的改变会导致Dendrimer构象及其内部渗透压的变化[79]。离子浓度所导致纳米颗粒的变化，也会影响纳米颗粒与细胞膜的作用情况。

4）光照。光照可以增强细胞的黏附。Ehahiro等人[80]应用聚（N-异丙基）聚合物，开发了一种测试光响应的细胞孵育平台。试验发现，紫外光的照射可以增强细胞在该平台的黏附强度，而细胞的活性并不会因为紫外光的照射被削弱。改变光照条件也会影响某些光敏纳米材料与细胞的作用。二氧化钛（TiO2）是一种光敏材料。Rozhkova等人[81]基于TiO2开发出一种纳米颗粒，能寻找和毁灭多形性神经胶芽细胞瘤（GMB）的癌细胞，而不会伤害到附近的健康细胞。当二氧化钛颗粒暴露在光照下5 min后，细胞发生氧化应激反应，细胞膜在光照的作用下破损，可以看到有细胞内液流到培养液中，最终细胞死亡。

5）溶液组分。在试验中，除了改变溶液的离子浓度之外，加入一些其他分子也可以达到调节细胞膜性质的目的。Tibias等人[82]模拟了电场下聚电介质对生物膜力学性质的影响。两者作用的推动力是聚电介质与生物膜之间的静电作用。与上面离子的作用类似，聚电介质的静电作用也改变了膜的表面电荷密度和德拜距离，从而降低了膜张力，增加了膜弹性，并影响膜的跨膜电势。此外，细胞培养环境往往富含多种有机物和生物分子，这些组分同样会影响纳米颗粒与细胞膜的作用。实验中发现，细胞培养液中的游离蛋白质在纳米颗粒表面存在多次吸附的现象，不同的蛋白之间也存在着吸附竞争的关系。蛋白质分子会吸附在纳米颗粒表面形成冠状层，可能改变纳米颗粒的表面性质，从而启动细胞膜某些吞噬的应答机制[83]。除了溶液中蛋白的吸附作用，纳米颗粒自身的一些蛋白包覆层还有可能被溶液中的一些物质分解。Violaine等[84]发现，在很多细胞中，纳米粒子都会进入核内体，而核内体的组织蛋白酶L会降解纳米粒子外裹的至关重要的蛋白层，减弱纳米颗粒在细胞膜上的靶向性，从而可能降低纳米载药体系的效率。由此可见，溶液微环境对纳米颗粒与细胞膜作用的影响，也是在今后的相关研究中需要重点考虑的问题。

1.3 外界能量调控

在纳米颗粒对细胞膜作用的研究中，除了改变纳米颗粒自身属性或周围环境因素之外，还可以通过施加外界能量的方法，来定向增强纳米颗粒的作用功效，常用的能量介导方式包括：超声介导、电场介导和磁场介导等。

1.3.1 超声介导

作为一种机械能量形式,超声技术已广泛用于工业、化学化工、医疗等领域中。超声的生物效应按作用机理可分为机械效应、空化效应、热效应等，当超声与细胞作用时，这些生物效应可以改变细胞膜的脂质双分子层结构，增加细胞膜的通透性，相应的结果可以用于超声辅助药物的跨膜运输等生物医学应用[85]。

1)超声的机械效应可以造成细胞膜的穿孔。超声能量能够带动细胞周围的水作定向运动，水分子的定向冲击会导致细胞膜表面张力的变化，细胞膜发生压缩形变，相应部分的脂质分子间距会变大，甚至可能形成疏水孔洞，随即部分水分子会渗入磷脂膜的疏水层[86]。而当膜表面张力达到一定数值（～65 mN/m)时，膜表面可能会形成亲水的孔洞，脂质分子的亲水头基包裹孔洞的边缘，以避免其疏水尾链暴露在水中[87]。亲水孔的形成同样能够增加细胞膜的通透性。当声波能量较低时，超声对细胞膜表面造成的影响是可逆的，细胞可以自行修复膜上所形成的孔洞；而对于能量较大的超声所形成的孔洞，细胞可能因为无法自行修复而导致死亡[88]。

2)超声的空化效应也会对细胞膜产生影响。在正负压交替的疏密机械波声场中，细胞会产生压缩和膨胀现象，即超声的空化效应。空化效应加剧了细胞膜的振荡行为，会造成细胞膜结构的破损。在超声辅助药物运输的研究中，超声微泡造影剂的使用会进一步增强超声空化作用对细胞膜的影响。超声微泡可由磷脂分子或者聚合物分子自组装而成[43]。在超声的作用下，微泡也同样会有压缩-膨胀的现象。由于微气泡具有很强的抗压能力和较弱的抗牵张力，当声能达到一定强度时，就会导致微气泡破裂。微泡破裂所产生的能量很强，足以在细胞膜上开孔。相应的结果同样可以增加细胞膜的通透性，便于药物的跨膜运输，或者通过使细胞膜解体的方式摧毁病变细胞，达到治疗的效果。另外，在制备过程中，还可以混合一些有利于靶向的生物分子，制备靶向微泡，从而增加微泡在病变部位的靶向效率；再通过超声的机械效应和空化效应作用，提高局部组织细胞膜的通透性，进一步增强靶向部位的药物运输。微气泡介导的超声穿孔的效率，与超声的频率、强度、作用时间以及微气泡所包被的气体、制备材料和在溶液中的浓度等因素都有直接关系，如何保证药物运输效率的同时又避免造成细胞的不可逆损伤，相关的优化工作还有待于进一步研究[89]。

3)超声作用还具有热效应。与之前温度因素对细胞膜的影响类似，超声的热效应，会使以脂类分子层为支架的细胞膜结构由液晶态转向无序态，使其功能被破坏，甚至导致整个细胞的解体死亡[85]。

超声所导致的细胞膜通透性的变化，除了在膜上穿孔之外，还体现在对膜通道蛋白的影响。细胞膜上的离子通道的开关受膜电位或者膜表面张力变化的控制。当超声辐照时，超声的刺激会引起膜表面张力的变化，或者使膜电位改变，从而使膜离子通道打开，这样也会提高细胞膜的通透性[90]。

超声辅助纳米药物载体的跨膜运输的优势在于它是非侵入性的，从而避免了对机体产生创伤。尽管研究中还存在着诸多问题，但对超声辅助纳米颗粒对细胞膜作用的机理研究，有助于推进人类利用超声波在传递基因治疗药物、靶向化疗和大分子药物方面的应用。

1.3.2 电场介导

与超声介导类似，利用电能，也可以通过在细胞膜上穿孔的方式，增强细胞膜的通透性。体系中所加的电能量可以分为瞬时电脉冲[91]和连续电场[92]。

1)除了会影响那些单纯的细胞膜活动（比如膜融合等)之外，瞬时电脉冲可以诱导细胞膜的电穿孔现象。电穿孔的产生会使细胞膜形成暂时的亲水孔洞。这样形成的孔洞不具备选择性，尺寸合适的物质均可能通过孔洞进入细胞。因此，离子可以穿过该孔洞实现跨膜，从而导致细胞膜的导电能力增加；甚至某些极化分子也可以通过孔洞进入胞内，这有利于纳米载药体系的跨膜运输[93]。相比于下面要介绍的连续电场而言，瞬态高压电脉冲对细胞膜的作用可能较为剧烈。细胞膜的电穿孔现象是电场能量和热运动能量共同作用的结果，其中，热运动能量是不确定的，与温度的涨落有关，而电场的形式和能量是可控的，对细胞膜表面微孔的形成起决定性作用。

2)稳定的外加电场可以诱导膜结构发生变化，其原因在于外加电场影响了脂质分子头基与水分子之间，以及与脂质分子头基不同带电基团之间的电偶极排布[92]。细胞膜的跨膜电势[92]、侧向张力[94]、扩散系数[95]等参数都会受到外加电场的影响，同时，外加电场还可能导致多组分磷脂膜的分相行为[96]。细胞膜的这些变化都可能会影响到纳米颗粒与细胞膜的作用。另外，外加电场改变了细胞膜的跨膜电位，其结果除了对膜结构可能产生影响外，也会对细胞膜上某些对跨膜电势较为敏感的通道蛋白的结构产生影响[97]。通道蛋白结构的改变同样也会影响离子的跨膜运输。

3)除了这些通过增加细胞膜通透性来提高纳米药物载体跨膜效率的研究之外，还可以通过外加电场直接调控纳米颗粒（或者生物分子)的运输行为。修鹏等[98]利用纳米管外的电荷操控纳米管内的水滴，从而达到操控水滴内生物分子位置的目的。这种操控的物理机制是，该水滴中的水分子虽然不带净电荷，但在外置电荷的诱导下可以形成有序的取向，从而可以造成很强的水-电荷相互作用，克服管壁对液滴定向运动的阻挡。在现有的实验条件下，可以在原子力显微镜或扫描隧道显微镜的针尖上修饰电荷或加偏压以使其带净电荷，从而实现对纳米管内水滴-生物分子混合体位置的操控[99]。而在另外一些模拟中，已经有一些关于将纳米管插入细胞膜的研究报道[100]。如果该理论设计在实验上得以实现，将可借助纳米管实现细胞的定向跨膜给药，并有望在纳米技术、生物科技等领域得到广泛应用。

1.3.3 磁场介导

外加磁场不仅对细胞的生长、分化、增殖、凋亡等行为产生影响[101]，还具有调节纳米颗粒与细胞膜作用的能力。

1)外加磁场可以增强纳米颗粒的细胞跨膜传输效率。Kamau等人[102]以聚乙烯包被的涂层超顺磁性纳米粒子为例，研究了永磁场和脉冲磁场对颗粒转染效率的影响。研究发现，与不加磁场的对照组相比，磁场的存在使得磁性颗粒的转染效率提高了40倍以上。

2)可以利用磁驱动的方法调节纳米颗粒与细胞膜的作用强度，借此控制特定的细胞膜运动过程，改变细胞膜结构的机械性能，还可用于纳米颗粒与细胞膜的作用强度等力学特征的研究。应用高梯度强磁场，可以拉动纳米颗粒，活化附近的机械门控离子通道[103]。这种方法适用于那些黏附细胞膜受体的磁性纳米粒子，有益于阐述与机械活化作用相关的生化通路[104]，并为定量评价离子通道动力学打下基础[103]。

3)磁性颗粒在磁场下的熵热效应可以应用于肿瘤的温热治疗中，这同样是利用了温度因素对细胞膜的影响。热疗过程会引起肿瘤组织温度升高，肿瘤组织的血液循环散热能力较差，其温度要比周围正常组织高。温度的变化会破坏细胞膜的整体结构，使癌变细胞发生解体，从而加速细胞的溶解和凋亡过程。因此，应用该方法，可选择性地对肿瘤组织细胞加温杀灭[105]。

4)铁磁性纳米颗粒在磁场诱导下的运动也可有效杀死癌细胞。Kim等人[106]研制了一种超薄的镍铁导磁合金圆盘，这个磁合金圆盘中所有原子的磁性都按同心圆方式排列，形成了一个磁湍流。当另一个交互式磁场作用于它的磁场时，圆盘发生了振荡。实验室结果表明，振动频率在几十赫兹的低水平时，经过10 min，就足以破坏90%癌细胞的细胞膜，并启动细胞凋亡。这种方法所用交变磁场的频率和磁感应强度都很低，可避免与高强度磁场相关的副作用。

2 小 结

随着纳米技术和纳米医学的发展，纳米颗粒被越来越广泛地应用于药物传输体系和基因治疗等领域，或作为荧光探针应用在生物成像和生物检测等方面。纳米颗粒与细胞膜的作用，是纳米材料在生物医学领域应用中需解决的首要问题。纳米颗粒对细胞膜作用的研究内容包括：颗粒在细胞膜上的黏附、颗粒的跨膜行为、颗粒对细胞膜及其膜上细胞器性质的影响和调控作用等问题。充分了解它们之间的相互作用，对于在细胞层次上理解生命体的生理过程、纳米药物的作用机制、基因治疗的机理等十分重要。在进行试验研究的同时，结合理论模型和数值计算方法，对相关问题展开研究，有助于进一步了解纳米材料对细胞作用的微观机理。近年来，虽然纳米颗粒对细胞膜作用的报道在不断增加，但还有很多问题不清楚，尚需更深入的研究和探索。相关研究成果，对于全面了解纳米材料的生物安全性，建立纳米安全性防御体系，具有重要的指导意义。

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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

国家重大科学研究计划项目(2006CB933206)、国家自然科学基金杰出青年基金(60725101)和国家自然科学基金项目(50872021)

顾宁，电话：(025)83794960，E-mail：guning@seu.edu.cn

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