石墨烯納米片因其在藥物遞送、生物成像和生物傳感器方面的潛在應(yīng)用而在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受重視。它們對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的生物學(xué)作用可能受到膽固醇的影響，膽固醇是參與許多重要過程的細(xì)胞膜中的關(guān)鍵成分。因此，研究膽固醇對(duì)石墨烯納米片在細(xì)胞膜中的傳輸機(jī)制以及石墨烯的最終穩(wěn)定構(gòu)型的影響尤為重要，這可能會(huì)對(duì)細(xì)胞毒性產(chǎn)生影響。在本文中，使用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了石墨烯納米片與具有膽固醇的1,2-二棕櫚酰-sn-甘油-3-磷酸膽堿（DPPC）膜相互作用的分子細(xì)節(jié)。結(jié)果表明，當(dāng)膽固醇達(dá)到一定濃度時(shí)，石墨烯納米片的結(jié)構(gòu)從純DPPC膜中的切入狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閵A在兩個(gè)DPPC小葉之間。潛在的機(jī)制表明，膽固醇優(yōu)先吸附在石墨烯納米片上，這對(duì)附近的DPPC尾部造成了更大的干擾，從而引導(dǎo)石墨烯納米板進(jìn)入脂質(zhì)雙層的核心，形成夾層結(jié)構(gòu)。我們的研究結(jié)果有助于理解石墨烯納米片與細(xì)胞膜之間的基本相互作用機(jī)制，并探索石墨烯納米板在生物醫(yī)學(xué)科學(xué)中的潛在應(yīng)用。
圖1.（a）膽固醇（CHOL）、（b）原始石墨烯納米片和（c）DPPC的分子模型。（d） 該計(jì)算系統(tǒng)由原始石墨烯納米片和水環(huán)境中含有DPPC脂質(zhì)和膽固醇的膜組成。為了清楚起見，省略了水分子。石墨烯納米片最初以2nm的距離垂直放置在膜上方。
圖2. （a） 4×4nm石墨烯納米片和不含膽固醇的DPPC膜之間的動(dòng)態(tài)相互作用快照。（b） 在相互作用過程中，石墨烯納米片的傾斜角度以及石墨烯納米板和DPPC膜（MEM）之間的對(duì)應(yīng)COM的演變。
圖3. （a） 4×4nm石墨烯納米片和含20%膽固醇的DPPC膜之間的動(dòng)態(tài)相互作用。（b） 在相互作用過程中，石墨烯納米片的傾斜角度以及石墨烯納米板和DPPC膜之間對(duì)應(yīng)的COM的演變。
圖4. 不同尺寸的石墨烯納米片和含有不同摩爾百分比膽固醇的DPPC膜的最終構(gòu)型的相圖。
圖5. 在將石墨烯納米片植入DPPC膜之前，石墨烯納米板中膽固醇和碳原子的密度分布演變。
圖6. 石墨烯納米片附近DPPC尾部的平均傾角以及石墨烯納米板和DPPC膜之間的對(duì)應(yīng)COM。（a） 圖2中4 nm×4 nm石墨烯納米片與純DPPC膜相互作用的情況。（b） 圖3中4×4nm石墨烯納米片與含有20%膽固醇的DPPC膜相互作用的情況。
圖7. 植入過程中膽固醇在石墨烯納米片兩側(cè)的吸附快照。
圖8. 在石墨烯納米片進(jìn)入膜之前以及石墨烯與細(xì)胞膜形成夾層結(jié)構(gòu)之后，膽固醇的角度分布。插入是膽固醇和具有夾層結(jié)構(gòu)的石墨烯納米片的快照。
圖9 .4×4nm石墨烯片的傾斜角度以及在兩種不同的注入模式下膽甾醇的相應(yīng)吸附數(shù)量。（a） 石墨烯納米片最終在細(xì)胞膜上形成一個(gè)切入狀態(tài)。（b） 石墨烯納米片最終在細(xì)胞膜中形成夾層狀態(tài)。
相關(guān)研究成果由浙江理工大學(xué)Juanmei Hu和Fengmin Wu等人2024年發(fā)表在ACS Omega (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsomega.3c08236)上。原文：Cholesterols Induced Distinctive Entry of the Graphene Nanosheet into the Cell Membrane
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
