Molecular Dynamics Simulations of PEGylated Nanoparticles Passing through Pulmonary Surfactant Monolayer

设计输运到人体的纳米药物受到越来越多的关注。肺器官作为一个药物输运的主要途径，相较于其它方式包括口服和注射更有优势。这是由于肺部的高渗透性、大表面积物质交换特性以及肺部给药的非侵入性。然而药物通过肺部进入循环系统仍然有很多挑战，其中主要障碍来自于肺表面活性剂膜。肺表面活性剂是由85%的磷脂、5%的胆固醇和10%的蛋白质组成。它能够吸附在气液界面，并通过形成一个单层膜来包裹肺内液体，从而减少表面张力、维持正常的呼吸。当颗粒到达肺的深处时会不可避免地与肺表面活性剂单层膜作用。纳米颗粒能否穿过该障碍取决于颗粒表面的物理化学性质以及膜表面的生物物理性质。 输运纳米颗粒总是通过表面修饰来增强生物兼容性。在纳米颗粒表面包裹上聚合物能有效减少颗粒表面的蛋白质吸附。一直以来，设计被包裹的纳米颗粒聚焦在控制和改变修饰材料的性质上。大量生物化学实验都指出了包裹聚合物的重要性，而纳米颗粒进入肺表面活性剂单层膜的程度取决于聚合物的种类、聚合物的修饰方式以及纳米颗粒表面电荷等因素。 我们建立了能够描述真实天然肺表面活性剂单层膜结构和各组分分子行为的粗粒化分子动力学模型以及聚乙二醇(PEG)修饰的金纳米颗粒的粗粒化模型。采用粗粒化分子动力学模拟方法研究了PEG修饰的纳米颗粒与肺表面活性剂单层膜的交互作用。通过调控PEG修饰纳米颗粒穿过肺表面活性剂单层膜，我们定量给出了PEG修饰的条件对纳米颗粒穿膜效果的影响及纳米颗粒对肺表面活性剂单层膜结构和生物物理性质的改变问题，并指明了最佳的方案。研究发现，负电荷、低PEG密度、合适的PEG链长将有利于纳米颗粒的穿膜输运。 肺表面活性剂单层膜生物物理特性对纳米颗粒穿膜有重要影响。在肺表面活性剂单层膜的各种生物物理特性中，最重要的是膜表面张力。使用Martini粗粒化模拟，我们探索了不同单层膜表面张力下的肺表面活性剂与PEG修饰的纳米颗粒的交互作用。研究发现肺表面活性剂单层膜表面张力越大越有利于纳米颗粒穿过肺表面活性剂单层膜。此外，我们发现肺表面活性剂单层膜中的蛋白质成分有利于纳米颗粒穿膜，并且纳米颗粒在穿膜过程中通过拽出磷脂和蛋白质的方式消耗肺表面活性剂单层膜的组分。 这些研究深化了表面修饰对纳米颗粒与肺表面活性剂单层膜交互作用的理解，对指导设计更具优势的纳米药物提供了重要信息。</p

Nanoparticle translocation across the lung surfactant film regulated by grafting polymers

Nanoparticle-based pulmonary drug delivery has gained significant attention due to its ease of administration, increased bioavailability, and reduced side effects caused by a high systemic dosage. After being delivered into the deep lung, the inhaled nanoparticles first interact with the lung surfactant lining layer composed of phospholipids and surfactant proteins and then potentially cause the dysfunction of the lung surfactant. Conditioning the surface properties of nanoparticles with grafting polymers to avoid these side effects is of crucial importance to the efficiency and safety of pulmonary drug delivery. Herein, we perform coarse-grained molecular simulations to decipher the involved mechanism responsible for the translocation of the polymer-grafted Au nanoparticles across the lung surfactant film. The simulations illustrate that conditioning of the grafting polymers, including their length, terminal charge, and grafting density, can result in different translocation processes. Based on the energy analysis, we find that these discrepancies in translocation stem from the affinity of the nanoparticles with the lipid tails and heads and their contact with the proteins, which can be tuned by the surface polarity and surface charge of the nanoparticles. We further demonstrate that the interaction between the nanoparticles and the lung surfactant is related to the depletion of the lipids and proteins during translocation, which affects the surface tension of the surfactant film. The change in the surface tension in turn affects the nanoparticle translocation and the collapse of the surfactant film. These results can help understand the adverse effects of the nanoparticles on the lung surfactant film and provide guidance to the design of inhaled nanomedicines for improved permeability and targeting

PEG修饰纳米颗粒穿过肺表面活性剂的分子动力学模拟

金纳米颗粒(AuNP)用作纳米药物载体一直广受关注。而如何设计Au NP使其更容易穿过肺表面活性剂(PS)的磷脂单层膜、同时又最大程度地减少甚至杜绝对磷脂膜的破坏成为一个亟待解决的问题。有实验发现,聚乙二醇(PEG)修饰纳米颗粒穿越磷脂双层膜取得了很好的效果[1]。但关于PEG为什么有助于纳米颗粒穿膜的相关机理性研究相对缺乏。因此,本文采用Martini粗粒化模型、全面模拟了PEG修饰的Au NP穿过PS的过程。我们的结果为PEG修饰Au NP提供了指导、同时也一定程度上揭示了其穿过PS的机理

2003-2009年中亚地区湖泊水位变化的时空特征/Spatial-temporal Characteristics of Lake Level Changes in Central Asia during 2003-2009[J]

利用ICESat/GLAS卫星测高数据产品获取2003-2009年间中亚地区24个典型湖泊的水位信息,分析该地区湖泊水位变化的时间过程和空间特征,并结合流域内气象观测数据和冰川、水坝分布图,分析不同类型湖泊的水位变化对气候变化与人类活动的响应.结果表明,湖泊水位变化与湖泊所在流域的年均降水量的变化呈显著的正相关；冰川融水对高山封闭湖泊的变化具有重要作用,其中在青藏高原北部、帕米尔高原和天山中部有大量冰川分布的流域,湖泊水位变化与湖泊补给系数呈正相关,水位主要表现为升高或稳定的状态；而在天山和阿尔泰山高地区无冰川补给的流域,水位随湖泊补给系数的增大而呈现负变化.水利枢纽或拦水坝为人类活动对湖泊的直接影响因子,其空间分布与近年来外流湖和平原尾闾湖的水位变化有关.拦水建坝的外流湖和尾闾湖的水位下降明显,而未建拦水坝或水利枢纽的外流湖水位相对稳定,进一步印证了近年来中亚水资源过度开发造成湖泊水位下降的事实

亚洲中部干旱区湖泊的地域分异性研究/Regional Difference of Lakes in the Arid Regions in Central Asia[J]

湖泊是干旱区气候与环境变化的敏感指示器,了解干旱区湖泊的空间分布和变化特征,有利于正确分析和评估气候变化和人类活动对于旱区水资源的影响.采用2010年的Landsat遥感数据资料,对新疆、中亚五国及其毗邻高山地区的湖泊制图,并分析该区域内湖泊的数量、面积的时空分布特征.研究表明:①2010年研究区域内大于0.01 km2以上的湖泊总数为30952个,总面积为496 674.35 km2,其中哈萨克斯坦北部、阿尔泰山地区和昆仑山南麓是湖泊富集的地区.②湖泊数量与湖泊面积呈幂指数关系,湖泊面积每升高一个10的量级,该量级内的湖泊数量下降4～6倍,湖泊面积增加1～2倍,与全球的湖泊分布相比,属于湖泊分布相对稀少的地区.③湖泊数量在纬度带的空间分布相对均一,大型湖泊集中分布在41° ～44°、46°和48°～50°的纬度带上;低海拔地区的湖泊数量多,面积大,高海拔地区湖泊数量多,面积小;山区、河谷湿地和哈萨克斯坦北部草原湖泊数量多;荒漠区湖泊分布稀少.④近20a来,高山地区湖泊与平原地区湖泊呈相反的变化模式,高山地区湖泊处于稳定或快速扩张态势,而平原地区的湖泊剧烈萎缩

近期亚洲中部高山地区湖泊水位变化的时空特征[C]

亚洲中部高山地区湖泊是干旱区气候与环境变化的敏感指示器，湖泊面积与水位的变化客观地反映了该地区水资源与地表水循环的变化过程。近几十年来，在气候因素和人类活动双重作用的影响下，亚洲中部干旱区的水资源的时空格局与分布发生了重大的改变，引起了一系列的生态危机。充分认识高山地区湖泊变化的特征及驱动性因素，有利于正确评估气候变化对湖泊变化的影响。本文利用Landsat、CBERS等资源卫星数据提取近十多年以来的湖泊面积变化，利用Jason、ICESat等雷达测高数据提取湖泊的水位变化，实现对缺乏站点资料地区湖泊变化的研究。在此基础上，分析该地区湖泊变化的时空特征与过程，并结合气象数据和冰川，研究气候变化条件下不同类型湖泊的水位变化对气候变化的响应。结果表明，近十年以来，湖泊变化的剧烈程度与流域内降水量的变化呈显著的正相关，降水对内陆湖泊是正效应的，降水量变化越大，湖泊水位变化也越大。 冰川分布对高山封闭型湖泊的变化具有重要作用，水位变化特征按有无冰川补给分为两种模式：在青藏高原北部、帕米尔高原和天山中部有冰川分布的流域，湖泊水位变化与湖泊补给系数正相关，水位主要表现为升高或稳定的状态；而在天山和阿尔泰山及其毗邻地区无冰川补给的流域，水位随湖泊补给系数的增大而呈现负变化。水坝分布与吞吐型湖泊的水位变化相关，出水口建有水坝的外流湖水位下降明显，而自然状态下的外流湖水位相对稳定，一定程度上反映了近年来过度向吞吐型湖泊引水与开发的趋势。通过对湖泊对气候变化的敏感性分析发现，湖泊水位的变化与流域内降水量的变化呈显著的正相关，湖泊变化的模式与湖泊所在流域内的冰川分布有关。冰川对高山封闭湖泊水量补给具有的重要作用，在中亚地区降水普遍增加的背景下，有冰川补给的湖泊，其水位出现显著的增长或保持稳定，而无冰川补给的湖泊则出现水位下降的变化，可见，冰川融水对阿牙克库木湖、阿其克库勒湖和喀拉湖等高山封闭湖的水位变化影响较大，这些湖泊对气候变化的响应也较为敏感

1975-2007年中亚干旱区内陆湖泊面积变化遥感分析/Changes of inland lake area in arid Central Asia during 1975-2007:a remote-sensing analysis[J]

中亚干旱区内陆湖泊的湖面变化反映了气候波动和人类活动对流域水文过程的影响.本文以中亚干旱区平原区尾闾湖泊、吞吐湖泊和高山湖泊三类典型内陆湖泊为研究对象,利用1975-2007年Landsat遥感影像,基于归一化水体指数提取湖泊水域边界信息,分析近30年来内陆湖泊湖面变化特征.结果表明,近30年来,研究区内有超过一半的内陆湖泊急剧萎缩,湖泊总面积从1975年的91402.06km2减小到2007年的46049.23km2,减小了49.62%.其中,平原区尾闾湖泊面积减小最为显著;吞吐湖泊主要受出口河流水资源利用方式不同,湖面变化较为复杂,既有扩张也有萎缩;高山湖泊主要受气候波动影响,水面变化相对稳定.在中亚区域气候变暖的背景下,不同类型湖泊面积的变化也反映出干旱区人类活动对区域水资源时空分配的影响

新疆荒漠稀疏植被覆盖度信息遥感提取方法比较/Comparison of methods based on MODIS for estimating sparse vegetation fraction across desert in Xinjiang[J]

植被覆盖度信息是荒漠生态环境表征的重要指标之一.荒漠区地表植被稀疏,在遥感光谱信息中表现较弱,通用的植被覆盖度遥感提取方法应用于干旱荒漠区存在一定的局限性,为了探寻一种满足大尺度荒漠地区的植被覆盖度信息的提取方法,必须对比和分析现有的遥感方法在干旱荒漠区的应用效果.以新疆荒漠区为例,利用MODIS遥感影像和野外植被覆盖度实测数据,对常用的6种遥感植被覆盖度提取方法(改进的三波段梯度差法、像元二分法、线型混合像元分解法、归一化植被指数法、增强型植被指数法和修正型土壤调整植被指数法)的结果进行精度验证和对比分析.结果表明:MODIS影像上较难提取纯荒漠植被像元,用农作物的像元值代替会降低像元二分法和线性混合像元分解模型的模拟精度；植被指数法对地面实测数据依赖性较大,模拟的精度差异很大,仅考虑红光和近红外的归一化植被指数法模拟精度最低,而综合考虑土壤和大气因素的增强型植被指数法的模拟结果精度最高；改进的三波段最大梯度差法虽然模拟精度稍次之(R2=0.74；RMSE=13.46),但依据光谱的物理特性,能显著地反映南、北疆荒漠植被覆盖度的差异,是目前大尺度的荒漠区覆盖植被信息提取较为适宜的方法之一

1976-2009年青藏高原内陆湖泊变化的时空格局与过程/Spatiotemporal Pattern and Process of Inland Lake Change in the Qinghai-Tibetan Plateau during the Period of 1976-2009[J]

为了揭示近几十年来气候变化条件下青藏高原内陆现代湖泊的时空变化规律,在1976年、1990年、2000年和2009年4个时段青藏高原内陆湖泊变化制图结果的基础上,重点分析流域内湖泊变化的时间过程和流域间湖泊变化的空间模式,并从气候要素变化、流域水源补给等方面探讨影响内陆湖泊变化的主要因素.结果表明:流域内湖泊总面积1970-1990年萎缩、1990-2009年扩张,1976-2009年呈现扩张的变化趋势,年均降水量和年均气温的变化趋势较好地解释了湖泊由萎缩到扩张的变化状况.从湖泊变化的空间格局来看,不同地域、不同流域的湖泊面积变化模式及其剧烈程度与流域内的水源补给方式有关,以雪冰融水补给的流域内湖泊总面积变化的剧烈程度远不及以冻融水补给为主的流域.因此,区域气候的变化是近几十年来高原内陆湖泊整体显著萎缩或扩张的主要原因,而流域水源补给的方式诠释了湖泊变化的区域差异

中亚(五国)干旱生态地理环境特征/Arid Ecological and Geographical Conditions in Five Countries of Central Asia[J]

中亚五国位于地球陆地北半球温带面积最大的世界级干旱区,地处青藏高原西侧的帕米尔高原西北坡,成为亚洲中部干旱区的重要组成部分.同时,它又是世界上生态系统十分脆弱,而自然资源尤其是能源相对富集的区域,揭示其生态地理环境形成和演变过程,已成为中亚五国社会经济可持续发展的必然.自1989年以来,国际合作研究注重亚洲内陆干旱区的生态地理环境科学问题.为此,基于该区域研究成果的全面集成出发,来论述中亚五国的地理环境形成、演变及其基本生态特征,籍以力促中亚五国经济社会的和谐、平衡和快速发展,造福当地的社会和人民