【MS应用实例】西南科技大学董发勤教授团队成果展示：静电作用力主导的高硅质/钙质矿物颗粒与细胞膜的界面相互作用研究

2022年第5期应用实例赏析-01

 

摘要：

高硅质/钙质矿物颗粒附着在细胞膜上，可能引起细胞的中毒。本研究以巨型(GUVs)和单片小囊泡(SUVs)为细胞膜模型，研究高硅质/钙质矿物颗粒(微方解石、微石英、纳米碳酸钙和纳米二氧化硅)与人工膜的相互作用。共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)和荧光标记实验表明，纳米碳酸钙和纳米二氧化硅通过破坏反电荷膜诱导凝胶化和以矿物颗粒的大小影响静电相互作用等途径导致膜的破坏。红外光谱证实，纳米SiO2与-PO2-基团形成的氢键最强。因此，纳米SiO2对膜的破坏最大。本研究为可吸入矿物颗粒与细胞膜相互作用的机理探索提供了更深入的认识。

 

引言：

大气颗粒物是大气污染的主要来源之一，可吸入矿物颗粒是大气颗粒物的重要组成部分。可吸入的矿物颗粒和细胞膜之间的相互作用是诱导细胞中毒的关键因素。Contado等研究了二氧化硅对肠道Caco-2细胞的潜在毒性作用。据报道，不同大小的二氧化硅颗粒导致细胞膜损伤，并诱发溶血效应。西南科技大学董发勤教授团队通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM) /傅立叶变换红外光谱(FTIR)/荧光光谱/分子动力学研究了微方解石、微石英、纳米碳酸钙以及纳米二氧化硅与GUVs/ SUVs的界面相互作用，特别是静电力相互作用。西南科技大学董发勤教授团队的实验和理论发现将帮助我们更好地理解在有害气溶胶中的微/纳米颗粒的细胞毒性。

 

计算方法：

西南科技大学董发勤教授团队分别使用Materials Studio的Forcite和Castep模块进行分子动力学和量子化学模拟，研究了矿物颗粒与GUVs主要官能团之间的静电力和电荷密度。

 

结果与讨论：

Micro-CaCO3和micro-SiO2的单一平均直径分别为1.3-1.6μm和1.6-2.0μm (表1)。

72 h矿物颗粒的沉降速率由高到低依次为: Micro-SiO2 > Micro-CaCO3>纳米二氧化硅>纳米碳酸钙(图1)。

如图2a-c所示，不同组的起始pH值不同，说明有些元素溶解得很快。从图2b/d中可以看出，不同组中主要元素的起始浓度存在明显差异，这就导致了起始pH值的差异。钙质颗粒组(图2a)和硅质颗粒组(图2c)的pH值在初始阶段出现快速升高或降低，这可能是由于体系中H+或OH−的快速消耗造成的。

矿物颗粒与GUVs相互作用后的红外光谱如图3所示。如图3a所示，在纳米CaCO3基团中，加入GUV+和GUV后，峰分别移动了25 cm -1 (1455 cm -1)和31 cm -1 (1461 cm -1)。当GUV和GUV+分别加入到纳米SiO2体系中时，在1085 cm -1处的峰移动到1087和1089 cm -1处(图3b)。

添加的纳米CaCO3越多，GUV−破坏越严重（图4）。将GUV暴露在纳米CaCO3中15 min，当纳米CaCO3浓度超过12.5mg/L时，可以观察到GUV−变形(图4b中红色箭头)。GUV−的形状变成梨形或椭圆形。此外，随着暴露时间的增加，GUV−的变形更为严重。与对照组相比，当纳米CaCO3浓度为100 mg/L, 15 min时，GUV−保持不变的比例约为48%(图4e)。被破坏的GUV−形成黑点(图4g中的黄色箭头)。

在纳米SiO2悬浮液中，GUV−在15 min(图5a f)和24 h(图5 h中的黄色箭头)均能保持完整的球形。由于静电斥力，纳米SiO2很难附着在GUV−上。GUV+在纳米SiO2中暴露24小时后破碎成碎片(图5j)。

RHB标记的GUVs显示了不同矿物颗粒暴露时膜的形态变化和脂质分布(图6)。

对于SUV组，矿物颗粒在暴露2 h后并没有引起明显的移动，但在24 h时SUV的荧光光谱发生了轻微的蓝移(图7a)。而对于SUV+，纳米SiO2在2小时时将荧光光谱移动到较短的波长处(图7b)。

DOPC、纳米CaCO3和纳米SiO2的结构模型如图8a所示。DOPC与纳米CaCO3、纳米SiO2之间的范德华力、静电力和总电荷密度如图8b-c所示。

如图9所示，与相同的带电矿物颗粒(纳米CaCO3)相比，GUV+的变形伴随着带相反电荷的矿物颗粒(纳米SiO2) 在膜上的附着，这说明了静电力的作用。

总结：

西南科技大学董发勤教授团队根据以上分析，可以得出四个结论：

(1) 纳米颗粒比微颗粒引起的破膜和凝胶现象更严重;矿物颗粒导致膜完整性破坏，膜流动性降低主要是通过磷脂-PO2-、-OH和-C -N (CH3)3 +基团的结合发生吸附作用；

(2) 静电力与氢键结合破坏膜的完整性，且静电力起主导作用；矿物颗粒大小的影响直接关系到静电效应的破坏；

(3) 矿物颗粒对膜的破坏会改变颗粒的性质，从而加重对膜的破坏；

(4) 分子动力学表明，纳米SiO2与磷脂之间的静电力大于纳米CaCO3与磷脂之间的静电力；红外光谱证实，纳米SiO2形成最强的氢键。

因此，纳米SiO2引起的膜破裂和凝胶现象最为严重。本研究为进一步了解矿物颗粒与细胞膜相互作用的机理提供了重要的参考。

文章详情：https://doi.org/10.1007/s11356-021-12584-8

 

本文利用Materials Studio的Forcite和Castep模块进行动力学和量子化学模拟，研究纳米CaCO3/SiO2与磷脂之间的静电力。北京泰科博思科技有限公司是Materials Studio官方指定代理商，有关软件详情或者技术支持请咨询北京泰科。

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作者简介：

董发勤  西南科技大学 教授

西南科技大学（原四川建材学院）地质勘查专业本科毕业，中国地质大学矿物学专业博士研究生毕业，理学博士，教授，博士生导师。曾历任西南科技大学(原西南工学院)资源工程系工会主席，科技处副处长、处长；西南科技大学科技处处长，教务处处长，副校长，党委副书记、纪委书记。长期从事新生污染物控制、环境友好材料、环境矿物学、生态矿物材料的科研及教学工作。

 

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