纳米颗粒和脉冲电磁效应对脂质膜结构和通透性的影响

《Biochemistry (Moscow), Supplement Series A: Membrane and Cell Biology》：Changes of the Structure and Permeability of Lipid Membranes Caused by Nanoparticles and Pulsed Electromagnetic Effects

纳米复合脂质体在超短电脉冲作用下的选择性激活与可控药物释放机制研究。采用磁铁矿和金纳米粒子功能化的仿生脂质体载体，通过亚10纳秒强电脉冲实现非热效应选择性电穿孔，释放效率达98%。实验结合电导率、荧光标记和透射电镜、原子力显微镜观测，证实纳米颗粒增强脂膜对电脉冲的响应敏感性，选择性激活载体释放包封的NaCl溶液和抗肿瘤药物。理论模型揭示了临界电场强度与电穿孔阈值的关系，为精准时空药物递送技术提供新平台。

　　

摘要—

目前，研究自然因素和人工因素对生物及仿生脂质膜结构和通透性变化的影响是基础科学和应用研究的重要领域。其中，一个具有高度生物医学应用潜力的跨学科研究方向是开发新的有效药物疗法方法，以实现药物和基因向体内目标区域和细胞的精准、可控输送（即药物输送的空间-时间耦合与控制）。我们的工作专注于开发高效且生物相容性的药物封装、靶向输送及可控释放技术，这些技术适用于水环境以及活体系统。在利用胶体载体对药物化合物进行封装时，我们使用了自主制备的纳米结构仿生脂质膜囊泡（纳米复合脂质体），其膜表面经过磁铁矿和金纳米颗粒的功能化处理。为了解决水环境中药物的安全可控释放问题，我们采用了一种基于超短电脉冲（持续时间小于10纳秒）的方法，这种脉冲能够通过非热效应实现对含有导电纳米颗粒的纳米复合脂质膜的选择性电穿孔。我们建立了纳米结构脂质体囊泡与超短电脉冲相互作用的理论模型，并推导出了决定电穿孔及脱囊现象发生阈值的外加电场强度临界值。研究表明，导电纳米颗粒在提高纳米复合脂质膜对外部超短电场作用的敏感性和导电性方面起着关键作用。所提出的理论机制能够解释超短电脉冲对纳米复合脂质体结构与导电性的影响机制。实验结果显示，在含有浓缩NaCl溶液的脂质体实验中，以及使用抗癌抗生素多柔比星和荧光染料羧基荧光素作为模型分子的实验中，均观察到了脂质体通透性的可控选择性变化及脱囊现象。经过强短电脉冲作用后，纳米复合脂质体中的药物载药释放效率可达98%。膜通透性变化的数据与透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）观察到的结构变化结果高度吻合。实验数据与理论预测表明，与对照组脂质体相比，纳米复合脂质体的通透性在电场作用下实现了选择性激活与可控增强，从而实现了药物的有效释放，且天然脂质膜和纯脂质膜的结构与功能状态未发生显著改变。仅对外部电场作用于药物载体进行选择性调控对于实现体内目标区域的安全药物输送与释放至关重要。我们的发现为基于功能化生物相容性仿生胶体脂质体载体的先进空间-时间可控药物疗法技术平台开发提供了可能，同时也验证了超短电脉冲的有效安全调控效果。