近年来,环境污染(如雾霾)以及人类不良生活习惯等导致癌症的病发率越来越高。针对癌症的治疗,一种常见的治疗手段是药物治疗,其中发展最快的是利用药物载体实现药物的靶向运输与释放。具体地,封装药物的载体被送入人体,经过人体循环到达靶向细胞,进入细胞并释放药物,最终达到治疗效果,具有副作用少,对正常细胞伤害小等优点。高效的药物运输和释放依赖于药物载体的循环周期、水溶性、靶向性以及进入细胞的效率,因此药物载体的选择和设计是实现药物治疗的关键。近年来,大量的研究证明了球形纳米颗粒以及穿膜肽可以携带药物进入细胞内部,实现药物的有效运输,因而在实际治疗中具有极大的应用价值。但是,由于实验手段的限制,关于此类药物载体跨膜运输的微观机理仍不明确。分子模拟技术提供了一种理想的手段来研究这些微观机理和微观相互作用。但是目前在跨膜运输过程模拟研究中细胞膜及周围环境的影响通常被研究者们所忽略。因此,在本论文中,运用耗散粒子动力学模拟方法和全原子分子动力学模拟方法来研究纳米粒子及穿膜多肽的跨膜运输过程,并且具体地探究了细胞骨架、膜两侧渗透压、跨膜电势、细胞膜复杂组成以及膜周围的离子浓度等因素对跨膜运输的影响。本论文的主要内容如下:1、纳米粒子尺寸对其内吞动力学的影响。耗散粒子动力学模拟研究发现在纳米粒子(直径达到37.5 nm)的内在化过程中存在两种包裹方式:膜弯曲能调控的包裹方式和磷脂扩散控制的包裹方式。并且随包裹方式不同,纳米粒子的尺寸对其内在化速率的影响恰好相反。具体地,当亲水的纳米粒子与磷脂头部吸引力较弱时,膜的弯曲控制了纳米粒子的内吞,较大的纳米粒子更容易内吞包裹。然而,当亲水的纳米粒子与磷脂头部吸引力较强时,磷脂的扩散显得尤为重要,此时更有利于小尺寸纳米粒子的包裹。另外,对于磷脂扩散控制的包裹方式,表面带有疏水配体的亲水纳米粒子被膜快速包裹时会严重破坏膜的完整性,最终可能导致膜孔的形成。2、红细胞膜下方的细胞骨架对于纳米粒子内在化的影响。耗散粒子动力学模拟研究表明当骨架网格的尺寸相对较小并且细胞骨架的张力较大时,会强烈的抑制纳米粒子的内在化,其抑制方式取决于纳米粒子的包裹方式。在磷脂扩散控制的包裹方式下(即纳米粒子与磷脂头部的作用力较强时),纳米粒子虽然被膜完全包裹,但最终包裹的囊泡被骨架反推到膜外侧。在膜弯曲能控制的包裹方式下(即纳米粒子与磷脂头部的作用较弱时),骨架对纳米粒子内在化的抑制体现为纳米粒子最终不能被完全包裹。3、渗透压引起的成泡膜上纳米粒子的内在化及BAR蛋白质的吸附。耗散粒子动力学模拟研究表明细胞膜两侧的渗透压能够引起细胞膜成泡,进而促进纳米粒子由内而外的单向跨膜运输速率和效率,并且更有利于曲率蛋白BAR的聚集吸附。具体地,当细胞膜两侧存在渗透压时,膜会发生成泡变形,且膜张力增大。基于此,对于纳米粒子的内在化过程,本文系统地研究了在渗透压引起的弯曲膜上单个和多个纳米粒子的内在化过程:单个亲水的纳米粒子在弯曲膜上由内而外的包裹速率比由外而内的包裹速率大,且粒子尺寸越大,纳米粒子与膜的相互作用越弱,这种差别越明显;单个疏水纳米粒子在弯曲膜上由内而外的渗透速率也较快,但是差别并不明显;当存在多个亲水纳米粒子时,边界附近的粒子发生渗透现象,其他区域的粒子则发生内吞现象。另外,对于曲率蛋白BAR的吸附,研究结果表明:单个BAR在弯曲膜上以“侧躺”到“卧趴”的方式粘附在细胞膜表面;多个曲率较大的蛋白质将会共同来调节细胞膜的局部曲率;多个曲率较小的蛋白质与膜的曲率相匹配,故可以聚集并在膜上形成一些有序结构。4、跨膜电势对于细胞穿透肽跨膜的影响。采用全原子分子动力学模拟方法,首次基于双膜模型和单膜模型研究了细胞穿透肽在跨膜电势存在时的跨膜动力学。研究结果表明跨膜电势降低了多肽渗透的能垒,从而促进穿膜肽的渗透;反过来,多肽本身带有的正电荷也能够增强局部跨膜电势。首先,在双模模型中的模拟结果表明:跨膜电势超过一定临界值,细胞膜会自发成孔;当外加跨膜电势不能使细胞膜成孔时,加入穿透肽会增加局部跨膜电势,最终发生膜成孔以及穿透肽的渗透。在单膜模型中,跨膜电势通过直接添加电场实现。模拟发现电场越大,多肽跨膜需要克服的能垒越小。结合模拟数据,根据成核理论推算出的正常生物跨膜电势下多肽跨膜的时间与实验数据较吻合。5、TAT多肽与混合膜的相互作用及水相中离子的检测。采用全原子分子动力学模拟方法研究了 HIV-1病毒TAT多肽与磷脂膜的相互作用,特别考察了除跨膜电势外其它不同因素的影响,包括膜的组成、体系离子浓度、多肽的吸附量等。模拟结果表明:除了跨膜电势以外,膜中电负性磷脂以及多肽的吸附量均有利于多肽与膜的粘附;体系中大量离子的吸附或者膜中的胆固醇均阻碍多肽与膜的粘附,从而阻碍了多肽的跨膜。首先,基于双膜模型,模拟结果表明:对于不带电的DPPC膜,多肽在一定电势下实现跨膜渗透;对于含负电磷脂的POPC/POPG混合膜,负电磷脂能够增强膜与多肽的粘附。但是在混合膜体系中,由于多肽和抗衡离子的吸附,多肽没有进行跨膜渗透,而是导致膜的弯曲。其次,基于单膜模型,模拟结果表明:当体系中没有过余离子时,多肽对负电磷脂的粘附大大增强;在无离子体系中,吸附的多肽越多,跨膜电势越大,粘附作用越强;细胞膜上的胆固醇能够稳定细胞膜,吸附的多肽或较低电场均不能引起的细胞膜弯曲和变形。此外,还研究了荧光法对水中铋离子的检测。基于材料中羧酸根和羟基对Bi3+的结合,CAU-1-(OH)2能够选择性地检测水系环境中的Bi3+。