基于分子動力學(xué)研究表面親疏水性對纖連蛋白吸附的影響.pdf

1、植入物植入人體后在其表面首先要發(fā)生的事件是蛋白吸附。蛋白在材料表面的吸附直接影響甚至決定植入的成敗。大量研究表明，材料表面性質(zhì)影響蛋白的的吸附量、類型和構(gòu)象；本課題組最新研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，表面化學(xué)調(diào)控纖連蛋白(Fibronectin, FN)在材料表面的吸附力，并與蛋白構(gòu)象一起，調(diào)控細(xì)胞的后期黏附行為，但其機制不明。闡明材料表面化學(xué)調(diào)控蛋白吸附的機制對于指導(dǎo)材料設(shè)計、植入物表面修飾有重要意義。分子動力學(xué)模擬（molecular dynam

2、ics simulation, MD）可以得到大分子的微觀信息，包括原子的位置、速度、原子相互作用力，以及相關(guān)的各種能量等。MD與計算機圖形顯示技術(shù)相結(jié)合，可使研究者直觀地分析蛋白質(zhì)分子的信息。本課題擬采用MD技術(shù)并結(jié)合實驗研究材料表面親疏水性對蛋白吸附的影響并試圖闡明其影響機制。
　　為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本課題采用金-硫醇自組裝技術(shù)構(gòu)建了不同親疏水性的自組裝單分子層表面（Self-assembled Monolayers, SAMs

3、），以纖連蛋白為模型蛋白，實驗研究表面親疏水性對蛋白吸附量、蛋白活性和聚集狀態(tài)的影響；然后以含有RGD粘附多肽的FNIII10為對象，采用Material Studio(MS)、Visual Molecular Dynamics(VMD)和 NAnoscale Molecular Dynamics(NAMD)對FNIII10吸附進(jìn)行分子動力學(xué)模擬，預(yù)測表面親疏水性對FNIII10吸附位點、聚集方式、RGD柔性、以及結(jié)合能等的影響；最后將

4、實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較，闡明表面親疏水性影響FN吸附的分子機制。主要研究工作和結(jié)論如下：
　?。?）制備不同親疏水性SAMs：采用金-烷基硫醇自組裝單分子層技術(shù)在金表面構(gòu)建了由不同-OH和-CH3含量構(gòu)成的不同親疏水性表面，即 OH-SAMs（100％-OH）、90%-OH-SAMs（-OH:-CH3=90:10）、65%-OH-SAMs（-OH:-CH3=65:35）和CH3-SAMs（100%-CH3），其靜態(tài)水接觸角分別

5、為24.1±2.0o、45.2±2.0o、76.4±2.0o、105.0±2.0o。X射線光電子能譜（X-photoelectron spectroscopy, XPS）表征結(jié)果也證明該不同親疏水性表面的成功構(gòu)建。
　?。?）表面親疏水性對纖連蛋白吸附的影響：各SAMs在20μg/mL FN溶液中37 ℃恒溫孵育2 h。MicroBCA檢測結(jié)果表明，隨表面疏水性增強，單位面積FN吸附量逐漸增多，滿足 OH-SAMs≈90%-OH-

6、SAMs＜65%-OH-SAMs＜CH3-SAMs。ELISA檢測結(jié)果表明，隨表面疏水性增強，F(xiàn)N蛋白層表面RGD的活性逐漸降低，滿足OH-SAMs≈90%-OH-SAMs>65%-OH-SAMs>CH3-SAMs。原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)觀察表明，隨表面疏水性增強，F(xiàn)N在各SAMs表面的聚集更緊密；FN在OH-SAMs的聚集最松散，在表面形成了不規(guī)則的聚集體，而在CH3-SAMs表面其聚

7、集最為致密。
　?。?）用Materials Studio（MS）構(gòu)建了不同OH-SAM、CH3-SAM鏈段的表面的pdb文件，用VMD生成SAMs表面的psf文件和纖連蛋白FN-III10的psf文件，并對材料進(jìn)行了500 ps的NVT系綜下的平衡模擬，對FN-III10進(jìn)行了1 ns的NVT系綜下的平衡模擬。
　?。?）將平衡好的FN-III10與SAMs結(jié)合，進(jìn)行了1 ns的NVT系綜下的平衡模擬，獲得了能量、RMSD

8、值、吸附位點以及結(jié)合能等信息。模擬結(jié)果表明：
　　①在親水性O(shè)H-SAMs表面，F(xiàn)N-III10主要依靠氫鍵與SAMs發(fā)生作用，隨著表面-OH含量減少，-CH3含量增加，其作用逐漸過渡到疏水作用。
　?、赗MSD值表明，隨表面疏水性增強，RGD的柔性逐漸降低，相應(yīng)地，其生物活性也逐漸降低，滿足 OH-SAMs>90%-OH-SAMs>65%-OH-SAMs>CH3-SAMs，與ELISA實驗結(jié)果一致。
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9、析表明，隨表面疏水性增強， FNIII10在表面的取向逐漸由OH-SAMs表面的長軸平行于表面向CH3-SAMs表面的短軸平行于表面偏轉(zhuǎn)，從而排列更加緊密，蛋白吸附量更大，滿足 OH-SAMs<90%-OH-SAMs<65%-OH-SAMs　?、鼙砻娼Y(jié)合能模擬結(jié)果表明，隨疏水性增強，表面結(jié)合能逐漸增大，滿足OH-SAMs<90%-OH-SAMs<65%-OH-SAMs<