纳米颗粒诱导脂膜变形对生物医学设计的调控机制与模型构建

《Biophysical Journal》：Nanoparticle-induced lipid membrane deformation influences the design of biomedicine

本研究针对纳米颗粒与细胞膜相互作用机制不清、传统模型预测与实验数据存在显著差异的问题，开展了纳米颗粒诱导脂膜变形的多尺度物理模型研究。通过引入颗粒表面浓度对膜张力的调控机制及基于脂质动态交换的非平衡内吞模型，成功预测了颗粒吸附等温线、剪切诱导解离及尺寸依赖性内吞速率，为理性设计纳米药物提供了定量化工具。

　　

在纳米医学迅猛发展的今天，纳米颗粒作为药物载体、成像对比剂和诊疗制剂，其与人体细胞的相互作用直接决定了疗效与安全性。然而，当这些微小的颗粒（尺寸通常在1-100纳米）接近比它们大数千倍的细胞时，会引发细胞膜——这个包裹着细胞的脂质双分子层——发生复杂的形变。这种形变如何影响颗粒是吸附在细胞表面，还是被细胞吞没（即内吞），进而影响药物递送效率，是领域内长期关注的核心科学问题。传统的理论模型通常将细胞膜视为一个无限大、张力固定的平面，并假设颗粒之间互不影响。但越来越多的实验证据表明，即使在极低的颗粒浓度下（例如，仅有0.1%的细胞表面被覆盖），这些模型也无法准确预测真实的生物现象，例如颗粒在细胞表面的吸附量、在血流剪切力下的滞留能力以及被细胞摄取的速度。这种理论与实验的脱节，严重阻碍了针对特定应用（如延长循环时间或促进细胞内递送）的纳米颗粒的理性设计。

为了填补这一关键空白，来自瑞士洛桑大学和麻省理工学院的研究团队在《Biophysical Journal》上发表了一项研究，题为“纳米颗粒诱导的脂膜变形影响生物医学设计”。研究人员旨在建立一个更精确的预测模型，以揭示纳米颗粒与细胞膜相互作用的物理原理，从而加速纳米医学的设计进程。

为了开展研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先，他们建立了包含膜拉伸、弯曲和粘附能量的总能量模型，通过数值求解Helfrich形状方程来最小化系统自由能，以预测颗粒的包裹状态（游离F、部分包裹P或完全包裹C）。其次，他们基于化学势平衡原理，将模型预测的能量变化转化为颗粒在溶液体相与细胞表面的吸附等温线。第三，通过计算流体剪切力与膜对颗粒的吸附能垒，模拟了剪切流场中颗粒从膜表面解离的过程。此外，研究者还引入了一个非平衡的内吞动力学模型，该模型考虑了细胞通过主动运输脂质分子来调节膜张力的实验发现，将内吞过程分解为快速吸附、张力调节驱动的缓慢完全包裹、膜裂变和张力恢复四个步骤，从而预测内吞速率。模型参数主要参考了已发表的红细胞（RBC）和HeLa细胞的实验数据。

粒子-细胞相互作用结果可从膜能量景观预测

研究人员通过计算颗粒-膜系统的能量相对于无颗粒时膜能量的变化（ΔE），发现了六种特征性的能量-包裹角（φ）关系图（能量景观）。这些景观决定了颗粒在平衡状态下的命运：能量最低点出现在φ=0时，颗粒不吸附（F）；在0<><>_C, F_P）则受颗粒游离区（B区）的膜变形影响，该区域只有弯曲和拉伸能，它们都倾向于使膜保持平坦。研究人员还推导了在高膜张力（√(Σ/κ) R >> 1）条件下的渐近近似公式，该公式能定性捕捉所有能量景观的趋势，为理解后续发现提供了便利。

增加颗粒表面浓度有利于吸附而非吞噬

一个关键的发现是，即使颗粒表面覆盖率（σ）低至0.1%，也能显著改变能量景观。例如，在无限稀释时能被完全吞噬的颗粒，在σ=0.1%时可能转变为部分包裹为平衡态。随着σ增加，平衡时的包裹角φ和能量阱的深度|ΔE|都会减小。相图分析进一步表明，随着σ从近乎零增加到0.1%，实现完全包裹（C）所需的临界粘附强度显著增加，而完全不被包裹（F）的状态则在更广泛的参数范围内被禁止，取而代之的是具有亚稳态的复杂能量景观。值得注意的是，从完全不包裹（F）到部分包裹（P）的转变点（w?=4）却与σ无关。这一反直觉现象的物理根源在于，颗粒会诱导膜张力（Σ）发生变化，而膜张力的衰减需要一个临界长度尺度（d_c），该尺度远大于通常假设的颗粒不发生相互作用的距离。因此，在典型的实验浓度下，颗粒通过改变膜张力而相互影响，这一效应在以往模型中被忽略。

颗粒表面浓度和膜弯曲对其浓度和尺寸依赖性吸附及解离的重要性

基于部分包裹颗粒的能量景观，研究人员预测了纳米颗粒在红细胞（RBC）表面的吸附等温线。新模型考虑了吸附自由能ΔE随表面覆盖率σ的增加而降低，从而预测出非线性的吸附行为，与实验数据高度吻合，显著优于基于常数ΔE的Langmuir型等温线预测。在预测剪切诱导的颗粒解离时，模型比较了流体拖曳力与将颗粒从平衡位置移开所需的能量恢复力。当剪切力超过吸附力时，颗粒会解离，直到在新的更低的表面浓度下建立动态平衡。模型成功再现了实验观察到的中间尺寸（100-800纳米）颗粒最抗剪切的非线性关系，并指出同时考虑有限的表面浓度σ和膜弯曲刚度κ对于准确预测尺寸依赖性至关重要。

膜张力调节的额外机制对于预测尺寸依赖性内吞动力学至关重要

平衡模型预测，在低浓度下，仅靠非特异性相互作用很难实现颗粒的完全包裹和内吞，这与许多实验观察（如HeLa细胞对颗粒的摄取）相矛盾。为了解决这一矛盾，研究人员引入了一个基于实验发现的新机制：许多细胞类型（与人工脂质体不同）能够通过主动运输，将内部储存的脂质分子补充到膜上，以响应局部张力的增加，这个过程的时间尺度（约数秒）远慢于被动的包裹过程（毫秒级）。因此，他们提出了一个非平衡的四步内吞模型：颗粒快速部分包裹吸附，导致膜张力升高；张力触发脂质补充，缓慢驱动颗粒走向完全包裹（t_w,1）；膜发生裂变（t_f），颗粒被内化；内化导致膜面积损失，再次触发脂质补充以恢复初始张力（t_w,2）。模拟显示，t_w,1是内吞的限速步骤。该模型不仅预测了内吞速率随颗粒尺寸的非线性变化（较小颗粒摄取更快），更重要的是，其预测的绝对摄取率与在受体被阻断条件下获得的实验数据更为接近，显著改进了已有模型的预测准确性。

该研究通过构建一个创新的物理模型，深刻揭示了纳米颗粒与细胞膜相互作用的复杂机制。其核心结论在于，即使浓度极低，纳米颗粒也能通过改变膜张力产生“集体效应”，这一发现挑战了传统认知。研究首次明确了一个关键的临界长度尺度，解释了为何在常规实验条件下颗粒间会通过膜力学产生相互影响。此外，通过引入细胞主动调节膜张力的生物学机制，研究成功地将平衡态下的部分包裹预测与实验观察到的非特异性内吞现象统一起来，提出了一个更符合生理条件的非平衡内吞动力学模型。这项工作的重要意义在于，它提供了一个强大的定量化框架，能够基于细胞的特性和期望的相互作用结果（如表面吸附或细胞内化），来加速和优化纳米颗粒的设计。它不仅解决了纳米医学设计中的具体难题，增进了对细胞膜力学的基本理解，其模型框架和物理洞察还有望应用于其他涉及颗粒-生物界面相互作用的领域，如环境微塑料与细胞的相互作用、病毒入侵机制等，具有广泛的理论价值和应用前景。