这种令人惊讶的强烈效果可能会对药物设计和递送产生影响。
包围我们细胞的不起眼的膜具有令人惊讶的超能力：它们可以推开碰巧接近它们的纳米大小的分子。美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的科学家组成的团队通过使用模仿自然膜行为的人造膜，找出了原因。他们的发现可能会改变我们如何设计许多针对细胞的药物治疗方法。
细胞膜产生强大的电场梯度，这在很大程度上负责排斥细胞表面的纳米级颗粒（例如蛋白质）——这种排斥尤其影响不带电的纳米颗粒。在此示意图中，带负电的膜（顶部，红色）吸引带正电的小分子（紫色圆圈），这些分子挤满膜并推开更大的中性纳米颗粒（粉红色）。图片来源：N. Hanacek/NIST
该团队的研究结果出现在 美国化学学会杂志， 证实细胞膜产生的强大电场在很大程度上负责排斥细胞表面的纳米级颗粒。这种排斥力显着影响中性、不带电的纳米颗粒，部分原因是电场吸引的较小的带电分子聚集在膜上并推开较大的颗粒。由于许多药物治疗都是围绕蛋白质和其他针对膜的纳米级颗粒构建的，因此排斥力可能会在治疗效果中发挥作用。
这些发现提供了第一个直接证据，证明电场是造成排斥的原因。 NIST 的 David Hoogerheide 表示，这种效应值得科学界更多的关注。
NIST 中子中心的物理学家 Hoogerheide 表示：“这种排斥力，以及较小分子所产生的相关拥挤，很可能在带弱电荷的分子与生物膜和其他带电表面相互作用的过程中发挥重要作用。”研究（NCNR）和该论文的作者之一。 “这对药物设计和输送以及纳米尺度拥挤环境中颗粒的行为具有影响。”
膜在几乎所有类型的细胞中形成边界。细胞不仅有包含和保护内部的外膜，而且内部通常还有其他膜，形成细胞器的一部分，例如线粒体和高尔基体。了解膜对医学很重要，尤其是因为细胞膜上的蛋白质是常见的药物靶点。一些膜蛋白就像控制进出细胞的大门。
这些膜附近的区域可能是一个繁忙的地方。数千种不同的分子相互拥挤，细胞膜相互拥挤——任何试图穿过人群的人都知道，这可能会很艰难。较小的分子（例如盐）移动相对容易，因为它们可以适应更紧密的点，但较大的分子（例如蛋白质）的移动受到限制。
胡格海德说，这种分子拥挤已经成为一个非常活跃的科学研究课题，因为它在细胞功能中发挥着现实世界的作用。细胞的行为方式取决于细胞“汤”中成分的微妙相互作用。现在，细胞膜似乎也可能产生影响，根据大小和电荷对自身附近的分子进行排序。
“拥挤如何影响细胞及其行为？”他说。 “例如，汤中的分子如何在细胞内进行分类，使其中一些分子可用于生物功能，而其他分子则不能？膜的作用可能会产生影响。”
虽然研究人员通常使用电场来移动和分离分子（一种称为介电泳的技术），但科学家们很少关注纳米尺度上的这种效应，因为移动纳米粒子需要极其强大的场。但强大的场正是带电膜产生的。
“在像我们身体这样的盐溶液中，膜附近的电场可能非常强，”胡格海德说。 “它的强度随着距离的增加而迅速下降，产生大的场梯度，我们认为这可能会排斥附近的粒子。所以我们用中子束来研究它。”
中子可以区分氢的不同同位素，该团队设计了实验来探索膜对附近 PEG 分子的影响，PEG 是一种形成不带电荷的纳米尺寸颗粒的聚合物。氢是 PEG 的主要成分，通过将膜和 PEG 浸入重水中（用氘代替普通水的氢原子制成），团队可以测量 PEG 颗粒与膜的接近程度。他们在 NCNR 以及橡树岭国家实验室使用了一种称为中子反射测量的技术。
结合分子动力学模拟，实验首次揭示了膜强大的场梯度是排斥背后的罪魁祸首的证据：PEG 分子对带电表面的排斥力比对中性表面的排斥力更强。
胡格海德说，虽然这些发现并没有揭示任何全新的物理学，但它们确实在一个意想不到的地方展示了众所周知的物理学，这应该会鼓励科学家们注意到并进一步探索它。
“我们需要将这一点添加到我们对纳米尺度上事物如何相互作用的理解中，”他说。 “我们已经展示了这种互动的力量和意义。现在我们需要研究它如何影响这些发生如此多生物的拥挤环境。”
论文作者：M. Aguillella-Arzo、DP Hoogerheide、M. Doucet、H. Wang 和 VM Aguillella。带电生物膜通过表面介电泳和抗衡离子压力排斥大的中性分子。 美国化学学会杂志。 16 年 2024 月 XNUMX 日在线发布。DOI： 10.1021/jacs.3c12348
Sumber: NIST
