纳米金属氧化物对脂质吸附能力的定量预测模型

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肺部吸入是纳米金属氧化物(Me ONPs)进入人体的主要途径。Me ONPs对肺部表面活性物质的主要成分脂质的吸附能力,是影响纳米颗粒生物效应的重要因素。目前关于Me ONPs对脂质吸附的定量研究十分匮乏。Me ONPs种类繁多,通过实验逐一测定成本高且耗时,迫切需要建立能够预测Me ONPs对脂质吸附能力的模型。本研究采用与肺部表面活性物质结构类似的二棕榈酰磷脂酰胆碱(DPPC)囊泡模拟肺部表面活性物质,将其与25种不同晶型和粒径的Me ONPs孵育,定量测定了Me ONPs对DPPC的吸附量。吸附实验结果显示,对于具有不同粒径的Me ONPs(包括锐钛矿型Ti O2、In2O3、Al2O3、Ni O和Co3O4),其对DPPC的吸附能力无显著性差异(P>0.05),表明粒径不是影响DPPC吸附的关键因素。与本研究中其它Me ONPs相比,稀土金属氧化物(Ho2O3、Dy2O3、Sm2O3、Pr6O11、Gd2O3、Nd2O3、Y2O3)对DPPC有较高的吸附量(>0.9 g/g)。基于密度泛函理论计算,研究了17种不同种类的Me ONPs与DPPC吸附的相互作用。考虑到磷脂与Me ONPs吸附的关键位点为磷酸基团,本研究计算了Me ONPs与磷酸基团的吸附能和吸附距离。吸附模拟计算结果表明,对DPPC吸附量较大的稀土金属氧化物,其与磷酸基团的吸附能也较高,表明DPPC头部的磷酸基团在吸附中发挥关键作用。吸附能与金属原子d带中心的相关性分析表明,金属原子较高的d带中心使其更易与磷酸基团的O原子吸附。以上述计算的Me ONPs对磷酸基团的吸附能为描述符,建立了预测Me ONPs对DPPC吸附量的模型。该模型具有良好的拟合度(R~2adj=0.73,RMSEtra=0.26)、稳健性(Q~2cv=0.74),但模型的预测能力仍有待提高(Q~2ext=0.59)。为了进一步提高模型预测性能,本研究通过实验测定了25种Me ONPs对磷酸盐的吸附量替代理论计算的吸附能描述符,建立了预测Me ONPs对DPPC吸附量的模型。模型性能评价结果表明,该模型具有良好的拟合度、稳健性和预测能力(R~2adj=0.79、RMSEtra=0.23、Qcv~2=0.74、Q~2ext=0.86)。该模型也证实了DPPC头部的磷酸基团是稀土金属氧化物吸附DPPC的重要位点。此外,Me ONPs的金属元素电负性和金属元素质量百分比共同影响DPPC的吸附能力,当Me ONPs的金属元素电负性较高(>1.22)时,不利于其对DPPC的吸附。本研究建立的预测模型为评价经肺部吸入进入人体的Me ONPs对脂质的吸附能力提供了基础数据,并有助于拓展对Me ONPs与脂质发生吸附作用机制的理解。
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