The appropriate lipid environment is crucial for the proper function of membrane proteins. There is a tremendous variety of lipid molecules in the membrane and so far it is often unclear which component of the lipid matrix is essential for the function of a respective protein. Lipid molecules and proteins mutually influence each other; parameters such as acyl chain order, membrane thickness, membrane elasticity, permeability, lipid-domain and annulus formation are strongly modulated by proteins. More recent data also indicates that the influence of proteins goes beyond a single annulus of next-neighbor boundary lipids. Therefore, a mesoscopic approach to membrane lipid-protein interactions in terms of elastic membrane deformations has been developed. Solid-state NMR has greatly contributed to the understanding of lipid-protein interactions and the modern view of biological membranes. Methods that detect the influence of proteins on the membrane as well as direct lipid-protein interactions have been developed and are reviewed here. Examples for solid-state NMR studies on the interaction of Ras proteins, the antimicrobial peptide protegrin-1, the G protein-coupled receptor rhodopsin, and the K+ channel KcsA are discussed.

Charles University in Prague, Faculty of Pharmacy in Hradci Králové Department of: Pharmaceutical Technology Supervisor: PharmDr. Ondřej Holas, Ph.D. Consultant: Mgr. Jana Kubačková Student: Kateřina Kučerová Title of thesis: Preparation and evaluation of lipid based nanoparticles as drug carriers Solid lipid nanoparticles (SLN) and nanostructured lipid carriers (NLC) are promising drug delivery systems. Their capability to encapsulate both hydrophilic and lipophilic molecules, biocompatibility and biodegradability of lipids make them a suitable alternative for well-established drug carries. The aim of this thesis was to determine suitable ratios of composition of nanoparticles with acceptable properties (especially reduced size and polydispersity, high zeta potential absolute values), to investigate status and thermodynamic behaviour of the nanoparticles and lipids used and to examine drug encapsulation efficiency. Nanoprecipitation method was used to prepare nanoparticles from stearic acid as a solid lipid and in the case of NLC preparation isopropyl myristate as a liquid lipid was used. Kolliphor® P 188 as a surfactant and Span® 20 as a co-surfactant were the best choice to meet intended characteristics. It was shown that usually lower the concentration of surfactant and co-surfactant was the...

Charles University in Prague, Faculty of Pharmacy in Hradec Králové Department of: Pharmaceutical Technology Supervisor: PharmDr. Ondřej Holas, Ph.D. Consultant: Mgr. Jana Kubačková Student: Lenka Voldřichová Title of thesis: Lipid based nanoparticles: drug delivery platform Lipic nanoparticles, as newly developed dosage forms, can overcome many drawbacks of conventional dosage forms. Their potential can be utilized in particular for prolonged, controlled and targeted release. They can also increase the bioavailability of drugs, especially those with poor solubility and also allow targeting, which causes increased accumulation of lipid nanoparticles in certain tissues compared to other tissues. nanoparticles suitable for drug encapsulation. The particles were prepared by the emulsion evaporation method. Their characterization was performed using a Zetasizer, which measured the particle size and the zeta potential. The properties of the formulations were evaluated in terms of nanoparticle size, polydispersity, zeta potential, and formulation properties. Differencial scanning calorimetry analysis was also performed on selected formulations. The selected final formulation was composed of 25 mg glycerol monostearate, 10 mg isopropyl myristate, 15 mg lecithin and Kolliphor P188 0,1% solution....

The structure and functions of lipid rafts and the mechanisms of intracellular membrane trafficking are major topics in current cell biological research. Rafts have been proposed to act as sorting platforms during biosynthetic transport, especially along pathways that deliver proteins to the apical membrane of polarised cells. Based on this, the aim of this work was to contribute to the understanding of apical sorting in epithelial cells. The study of how lipid rafts are structured has been hampered by the scarcity of techniques for their purification. Rafts are thought to be partially resistant to solubilisation by mild detergents, which has made the isolation of detergent-resistant membranes (DRMs) the primary method to characterise them biochemically. While a growing number of detergents is being used to prepare DRMs, it is not clear what can be inferred about the native structure of cell membranes from the composition of different DRMs. This issue was addressed by an analysis of DRMs prepared with a variety of mild detergents. The protein and lipid content of different DRMs from two cell lines, Madin-Darby canine kidney (MDCK) and Jurkat cells, was compared. It was shown that the detergents differed considerably in their ability to selectively solubilise membrane proteins and lipids. These results make it unlikely that different DRMs reflect the same underlying principle of membrane organisation. Another obstacle for understanding apical sorting is that the evidence implicating certain proteins in this process has come from various disparate approaches. It would be helpful to re-examine the putative components of the apical sorting machinery in a single experimental system. To this end, a retroviral system for RNA interference (RNAi) in MDCK cells was established. Efficient suppression of thirteen genes was achieved by retroviral co-expression of short hairpin RNAs and a selectable marker. In addition, the system was extended to simultaneously target two genes, giving rise to double knockdowns.Retroviral RNAi was applied to deplete proteins implicated in apical sorting. Surprisingly, none of the knockdowns analysed caused defects in surface delivery of influenza virus hemagglutinin, a common marker protein for apical transport. Therefore, none of the proteins examined is absolutely required for transport to the apical membrane of MDCK cells. Cells may adapt to the depletion of proteins involved in membrane trafficking by activating alternative pathways. To avoid such adaptation, a visual transport assay was established. It is based on the adenoviral expression of fluorescent marker proteins whose surface transport can be followed microscopically as soon as RNAi has become effective. With this assay, it should now be possible to screen the knockdowns for defects in surface transport. Taken together, this work has provided a number of experimental tools for the study of membrane trafficking in epithelial cells. First, the biochemical analysis of DRMs highlighted that DRMs obtained with different detergents are unlikely to correspond to distinct types of membrane microdomains in cell membranes. Second, the retroviral RNAi system should be valuable for defining the function of proteins, not only in membrane transport, but also in processes like epithelial polarisation. Third, the visual assay for monitoring the surface transport of adenovirally expressed marker proteins should be suitable to detect defects in polarised sorting.

Die Degranulation von Mastzellen soll durch Glycosphingolipide, welche mit der Zellmembran wechselwirken inhibiert werden. Der Sphingosingrundkörper wurde in zehn-stufigen Synthese ausgehend von N-Boc-Serin, aufgebaut. Die anschließende Glycosylierung erfolgte nach der Trichloracetimidatmethode in sehr guten Ausbeuten und stellte den Schlüsselschritt dar. Durch die Variation von unter Anderem der Amidseitenkette, der Glycosylkopfgruppe und des Sphingosingrundkörpers wurde eine Vielzahl an Derivaten für das Screening im Degranulationsassay bereitgestellt. / The present dissertation covers the synthesis of glycosphingolipids which interact with the cell membrane in order to inhibit the degranulation of mast cells. The sphingosin body was synthesized in ten steps starting from N-Boc-Serin. The key step, the glycosylation was achieved using the trichloracetimidat method. The variation of the amid sidechain, the gylcosyl headgroup and the sphingosin body created a number of derivatives that were tested in the degranulation assay.

MARCKS-Protein ist in den Signalübertragungsweg der Zelle involviert. Durch einen Adsorptions-/Desorptionszyklus mit der Zellmembran reguliert es die Konzentration bestimmter Botenmoleküle. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit strukturelle Änderungen der Membran, verursacht durch die Membran-Protein-Wechselwirkung, mit einem Reaktions-Diffusions-System korrelieren. Die elektrostatische Wechselwirkung von MARCKS-Protein mit negativ geladenen Membranlipiden geschieht an der inneren Seite der Zellmembran. Als Modellsystem lässt sich dies mit einer monomolekularen Lipidschicht an der Wasser-Luft-Grenzfläche realisieren. Anhand von oberflächensensitiven Messungen konnte gezeigt werden, dass die Wechselwirkung von MARCKS mit negativ geladenen Membranlipiden und damit die Adsorption an der Membran, zu einer Änderung der Membrantopologie führt. Damit verbundenen ist auch der partielle Einbau von MARCKS in die Membran, was zu einem größeren molekularen Flächenbedarf führt. Dieser korreliert mit dem Anstieg des lateralen Drucks der Lipidmonoschicht bei konstanter Fläche. Die Desorption von MARCKS kann durch die Wechselwirkung mit PKC induziert werden, detektierbar durch die Reduktion des lateralen Drucks. Bei Vorhandensein eines Reservoirs an MARCKS und PKC oszilliert der laterale Druck, was als zyklische Adsorption und Desorption von MARCKS an bzw. von der Lipidschicht interpretiert wird. Anhand der experimentellen Ergebnisse wurde ein mathematisches Modell entwickelt, dass dieses oszillierende Verhalten als ein Reaktions-Diffusions-System erklärt.

Background: Ceramide synthesis and metabolism is a promising target in cancer drug development. γ-tocotrienol (GT3), a member of the vitamin E family, orchestrates multiple effects that ensure the induction of apoptosis in both, wild-type and RAS-mutated pancreatic cancer cells. Here, we investigated whether these effects involve changes in ceramide synthesis and transport. Methods: The effects of GT3 on the synthesis of ceramide via the de novo pathway, and the hydrolysis of sphingomyelin were analyzed by the expression levels of the enzymes serine palmitoyl transferase, ceramide synthase-6, and dihydroceramide desaturase, and acid sphingomyelinase in wild-type RAS BxPC3, and RAS-mutated MIA PaCa-2 and Panc 1 pancreatic cancer cells. Quantitative changes in ceramides, dihydroceramides, and sphingomyelin at the cell membrane were detected by LCMS. Modulation of ceramide transport by GT3 was studied by immunochemistry of CERT and ARV-1, and the subsequent effects at the cell membrane was analyzed via immunofluorescence of ceramide, caveolin, and DR5. Results: GT3 favors the upregulation of ceramide by stimulating synthesis at the ER and the plasma membrane. Additionally, the conversion of newly synthesized ceramide to sphingomyelin and glucosylceramide at the Golgi is prevented by the inhibition of CERT. Modulation ARV1 and previously observed inhibition of the HMG-CoA pathway, contribute to changes in membrane structure and signaling functions, allows the clustering of DR5, effectively initiating apoptosis. Conclusions: Our results suggest that GT3 targets ceramide synthesis and transport, and that the upregulation of ceramide and modulation of transporters CERT and ARV1 are important contributors to the apoptotic properties demonstrated by GT3 in pancreatic cancer cells.

Bei der Zellkultivierung wird dem artifiziell hergestellten Grundmedium meist tierisches Serum hinzugefügt, um ein adäquates Wachstum der Zellen zu gewährleisten. So liefert das Serum zusätzliche Nährstoffe, essenzielle Wachstumsfaktoren und eine Vielzahl weiterer Moleküle. Die Seren werden kommerziell aus tierischem Vollblut hergestellt und normalerweise vor ihrer Auslieferung auf bestimmte Parameter, wie zum Beispiel Aminosäure-Gehalt und Albumin-Konzentration, getestet. Trotz dieser Testung seitens der vertreibenden Unternehmen bestehen große Qualitätsunterschiede bei den Zellkulturanwendungen. Somit sind Forschungslabore häufig gezwungen Probeseren anzufordern und diese in eigenen zeitaufwendigen und kostenintensiven Zellkulturversuchen zu testen, bevor ein Serum ausgewählt und in den eigentlichen Versuchen eingesetzt werden kann. Auch die serumvertreibenden Unternehmen müssen demzufolge alle Serumchargen bis zum Abschluss der Testversuche in ausreichenden Mengen bereithalten, was einen bedeutenden Mehraufwand darstellt. Aus diesen Gründen wäre es eine entscheidende Vereinfachung, wenn ein geeigneter Biomarker zur Testung der Serumtauglichkeit gefunden werden könnte, der diese aufwendigen Vorversuche ersetzt. Ein potenzieller Biomarker könnte das Glycerophospholipid Lysophosphatidylcholin (LPC) sein. Seine stressbedingte Bildung, vorrangig aus Phosphatidylcholin (PC), im Rahmen von Entzündungen, oxidativem Stress oder ungünstigen Lagerungsbedingungen könnte als Indikator für qualitätsmindernde Prozesse im Serum dienen. Des Weiteren könnte das vermehrte LPC selbst einen entscheidenden Einfluss auf das Wachstum von Zellen haben und somit die Qualität der Seren widerspiegeln. Die Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) eignet sich aufgrund ihrer Robustheit gegenüber Verunreinigungen und der hohen Messgeschwindigkeit für die Detektion beider Moleküle in biologischen Materialen. Zur weiteren Vereinfachung der Bestimmung der LPC-Konzentration mittels MALDI-TOF MS wird oft auf den Zusatz eines internen Standards verzichtet, um zusätzliche Fehlerquellen zu vermeiden. Hierbei wird LPC ausschließlich relativ zur PC-Konzentration ermittelt (PC/LPC-Verhältnis). Da es sich bei Serum um eine komplexe, biologische Probe handelt, könnten Molekülinteraktionen wie beispielsweise Protein-Lipid-Interaktionen Grund für unterschiedliche PC/LPC-Verhältnisse sein. Albumin als ubiquitär im Serum vorhandenes Protein kann eine Vielzahl von Molekülen binden, darunter auch bestimmte Lysophospholipide. Somit ist es wichtig zu klären, inwieweit Albumin eine adäquate Detektion von Lysophosphatidylcholin verhindern beziehungsweise beeinflussen kann. Die hier publizierte Arbeit konnte zeigen, dass Albumin-Zusatz (von Pferd und Rind) zu einem Anstieg des detektierten PC/LPC-Verhältnisses im „intakten“ Serum führt. Umgekehrt sinkt das PC/LPC-Verhältnis beim enzymatischen Verdau des Albumins wieder, weil nun mehr LPC detektiert werden kann. Der Einfluss von Pepsin und Trypsin, die durch den enzymatischen Verdau des Albumins zu einer verbesserten LPC-Detektion führen, wurde unter verschiedenen Bedingungen (Konzentration, Inkubationszeit, Temperatur) verglichen. Abschließend wurde ein verbessertes Protokoll für die MALDI-TOF MS-Messungen des PC/LPC-Verhältnisses im „intakten“ Serum durch einen vorausgehenden Pepsin-Verdau vorgeschlagen. Dabei muss vor allem darauf geachtet werden, möglichst niedrige Temperaturen zu verwenden, um die temperaturbedingte Konversion von PC zu LPC zu minimieren. Sowohl das ursprüngliche als auch das erweiterte Messprotokoll fand im zweiten Teil der Arbeit Anwendung. Hier wurde die aufwendige konventionelle Qualitätstestung von Pferdeseren mittels Zellkultur mit der massenspektrometrischen Messung von LPC als Biomarker verglichen, um eine etwaige Vereinfachung der Serumselektion zu evaluieren. Die verwendeten FDCPmix-Zellen sind murine hämatopoetische Vorläuferzellen, die beispielsweise zur Untersuchung der hämatopoetischen Stammzellnische verwendet werden. Ähnlich wie die hämatopoetischen Stammzellen selbst, stellen die FDCPmix-Zellen hohe Anforderungen an die Zellkulturbedingungen. Wird inadäquates Medium bzw. Serum verwendet, können Wachstum und Differenzierungspotential negativ beeinflusst werden, wodurch die Zellen nicht mehr für weitere Versuche geeignet sind. Folglich ist die achtsame Auswahl des Pferdeserums essenziell. Acht Pferdeseren von verschiedenen Anbietern wurden zur Kultivierung nach derzeitigem Goldstandard eingesetzt. Als Evaluationsparameter für die Qualität des jeweiligen Serums wurden Zellwachstum, Differenzierungspotenzial nach Kultivierung und die Fähigkeit Zellkolonien im semifesten Medium (colony forming units - CFUs) zu bilden, verwendet. Hierbei zeigten sich deutliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Seren. Insbesondere in der Fähigkeit CFUs auszubilden und im Wachstum waren die größten Unterschiede zu erkennen. Diese Zellkultur-Ergebnisse wurden mit MALDI-TOF MS-Messungen des PC/LPC-Verhältnisses vor und nach Pepsinverdau im „intakten“ Serum verglichen. Jedoch korrelierte das PC/LPC-Verhältnis nicht mit den Ergebnissen der Zellkulturexperimente. Dies ist mit den Unterschieden in der PC-Konzentration zwischen den verschiedenen Seren zu erklären. Enthält ein Serum generell viel PC, so kann trotz eines hohen PC/LPC-Verhältnisses die LPC-Konzentration im Serum zu hoch sein und die Zellkultivierung negativ beeinflussen. Deshalb wurde LPC mit Hilfe eines internen Standards quantifiziert. Bei den für die Kultivierung ungeeigneten Seren lag, sowohl vor als auch nach Proteinverdau, eine hohe LPC-Konzentration vor. Umgekehrt konnten die Pferdeseren mit geringen LPC-Konzentrationen mit günstigen Zellkultur-Ergebnissen assoziiert werden. Dieser negative Einfluss einer hohen LPC-Konzentration konnte durch die artifizielle Zugabe von LPC zur Zellkultur weiter bestätigt werden. Im Gegensatz zum nicht manipulierten Kontrollmedium zeigten die Proben mit artifiziell erhöhter LPC-Konzentration vor allem eine deutlich geringere Fähigkeit CFUs auszubilden, welches ein Kernkriterium für die Verwendbarkeit des Serums ist. Insgesamt konnte folglich der negative Einfluss von LPC auf die Zellkultur gezeigt werden, was seine Eignung als Indikator für die Serumqualität bestätigt. Zusätzlich zur LPC-Konzentration wurden weitere Mediator- und Signalmoleküle untersucht, die im Zuge des PC/LPC-Stoffwechsels entstehen können und unter anderem Entzündungsprozesse beeinflussen. Bei der Konversion von PC zu LPC durch die Phospholipase A2 oder durch oxidativen Stress wird die Fettsäure (z.B. Arachidonsäure oder Linolsäure) an der sn-2-Position vom Glycerolrückgrat freigesetzt und steht zur weiteren Metabolisierung durch beispielsweise Cyclooxygenasen oder Lipoxygenasen zur Verfügung. Hierbei können Eikosanoide wie Thromboxane, Prostaglandine oder Leukotriene entstehen. Daher wurden die Pferdeseren weiterhin auf Eikosanoide mittels Flüssigchromatographie (LC)-MS/MS getestet. Hierbei zeigte sich, dass erhöhte Thromboxan B1-, Thromboxan B2- und 12-S-Hydroxy-Heptadecatriensäure-Konzentrationen ebenfalls auf eine ungünstige Serumqualität hinweisen. Zudem konnte gezeigt werden, dass die Seren mit hohen LPC-Konzentrationen und daher schlechten Zellkultur-Ergebnissen ebenfalls hohe Konzentrationen an Linolsäure aufweisen. Diese Fettsäure wird typischerweise bei der Konversion von im Pferdeserum vorkommenden PC zu LPC aus der sn-2-Position freigesetzt. Somit scheint neben der LPC-Konzentration auch das Eikosanoidprofil qualitative Aussagen über das jeweilige Pferdeserum zu erlauben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl niedrige absolute LPC- als auch niedrige entzündungsfördernde Eikosanoid-Level mit einer günstigen Serumqualität korrelieren. Jedoch benötigt die Bestimmung des Eikosanoidprofils im Gegensatz zur LPC-Bestimmung anspruchsvollere Messmethoden wie LC-MS/MS. Die LPC-Konzentration kann mittels MALDI-TOF MS zuverlässig ermittelt werden. Diese robuste, schnelle und preiswerte Methode ermöglicht die direkte Messung im „intakten“ Serum. Dabei ist die Zugabe eines internen Standards zur Bestimmung der absoluten LPC-Konzentration notwendig, da sich das PC/LPC-Verhältnis als ungeeignet für die Qualitätsevaluation von Zellkulturseren erwiesen hat.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis 1 Einführung 1.1 Allgemeine Einleitung 1.2 Factor dependent cells Paterson mixed potential (FDCPmix-Zelllinie) 1.3 Phosphatidylcholin und Lysophosphatidylcholin 1.4 Eikosanoide 1.5 Massenspektrometrie 1.5.1 MALDI-TOF Massenspektrometrie 1.5.2 ESI-IT Massenspektrometrie 1.6 Ziele der Dissertation 2 Publikationsmanuskripte 2.1 Determination of the Phosphatidylcholine/Lysophosphatidylcholine Ratio in Intact Serum by Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry with Prior Enzymatic Albumin Digestion 2.2 Phospholipase A2 products predict the hematopoietic support capacity of horse serum 3 Zusammenfassung der Arbeit 4 Literaturverzeichnis 5 Nachweis über Anteile der Co-Autoren 6 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 7 Lebenslauf 8 Publikationen 9 Danksagung

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Biological membranes are mainly composed of two layers of lipids, various kinds of proteins and organic macromolecules, forming the protective barriers that separate the inner milieu of living cells from the environment. The possibility of penetrating the membrane is of great importance for biomedical applications. Recently, a lot of attention has been given to the mechanisms and the details of the interactions between the membrane and nanoparticles, as well as to the development of effective delivery strategies. A manipulation of the hydrophobicity of nanoparticles can facilitate the translocation through the membrane. Modifying the physical/chemical properties of the membrane through oxidation can also influence the delivery of nanoparticles or macromolecules into the cell. In this work, using coarse-grained molecular dynamics simulations, the passive translocation of nanoparticles with a size of about 1 nm and with tunable degrees of hydrophobicity through lipid membranes is studied. It is shown that a window of nanoparticle translocation with a sharp maximum is located at a certain hydrophobicity in between fully hydrophilic and fully hydrophobic characters. By combining direct simulations with umbrella sampling simulations, the free energy landscapes for nanoparticles covering a wide range of hydrophobicities are obtained. The directly observed translocation rate of the nanoparticles can be mapped to the mean escape rate through the calculated free energy landscapes, and the maximum of translocation can be related with the maximally flat free energy landscape. For nanoparticles with the balanced hydrophobicity, the bilayer forms a remaining barrier of a few kBT and can be spontaneously surmounted. Further investigations are conducted to explore the cooperative effects of a larger number of nanoparticles and their impact on membrane properties such as membrane permeability for solvent, the area per lipid, and the orientation order of lipid tails. By calculating the partition of nanoparticles between water and oil phases, the microscopic parameter, i.e. the hydrophobicity of nanoparticles, can be mapped to an experimentally accessible partition coefficient. The studies reveal a generic mechanism for spherical nanoparticles to overcome biological membrane-barriers without the need of biologically activated processes. Two oxidatively modified lipids are studied on coarse-grained level using molecular dynamics simulations. The findings support the view that lipid oxidation leads to a change of the lipid conformation: lipid tails tend to bend toward the lipid head-tail interface due to the presence of hydrophilic oxidized beads. This change in conformation can further influence structural properties, elasticity and membrane permeability: an increase of the area per lipid, accompanied with decrease of the membrane thickness and order parameter of the lipid tails; a sharp drop of stretching modulus; a significant increase of the membrane permeability for water. Oxidized lipid bilayers interacting with NPs of various degrees of hydrophobicity are further studied. The critical hydrophobicity corresponding to the maximum translocation rate of NPs, shifts towards the hydrophilic region, which coincides with the same decrease in percentage of the average hydrophobicity in the core of the membrane upon oxidation. Around the critical point of NPs' hydrophobicity, a significant increase of the translocation rate of NPs through the oxidized bilayers is observed, when compared to non-oxidized bilayers. This is associated with a deterioration of the free energy barrier for NPs inside the oxidized bilayers, resulting from oxidation effects. These findings are consistent with the studies of the mean escape rate through the free energy landscapes using Kramers theory. Regarding the membrane perturbation induced by NPs of various hydrophobicity, the data obtained with oxidized lipid bilayers present the same general trend as in the case of the non-oxidized lipid bilayer. These findings provide a better understanding of the interaction between NPs and oxidized lipid bilayers, and open a possibility to facilitate drug delivery.:1 Introduction 1 1.1 Lipid Bilayers 1 1.2 Oxidized Lipid Bilayers 2 1.3 Experimental Methodology 4 1.4 Lipid Models 5 1.5 The Lipid Bilayer Interacting with NPs 6 1.6 Thesis Overview 7 2 State of the art 9 2.1 Molecular Dynamics Simulations of Lipid Bilayers 9 2.1.1 Equations of Motion and the Integrations of Equations of Motion 10 2.1.2 Interaction Potentials 12 2.1.3 Periodic Boundary Conditions 14 2.1.4 Barostats and Thermostats 15 2.2 Umbrella Sampling Simulation 19 2.2.1 The Basics of Umbrella Sampling Method 20 2.2.2 Analyzing Umbrella Sampling Results by WHAM 23 2.2.3 The Principle of Choosing Bias Potential 24 3 Lipid Membranes interacting with Nanoparticles of Various Degrees of Hydrophobicity 25 3.1 Introduction 25 3.2 Coarse-grained Model and Simulation Setups 27 3.3 Results and Discussions 31 3.3.1 NPs-membrane Interactions 31 3.3.2 NPs Translocation 33 3.3.3 Concentration Effect of NPs 35 3.3.4 The Effect of Hydrophobicity on Kinetic Pathways 38 3.3.5 Potential of Mean Force 39 3.3.6 Hydrophobicity Scale 41 3.3.7 Solvent Permeation and Membrane Perturbation Induced by NPs 45 3.4 Summary 47 4 Coarse-grained Model of Oxidized Lipids and their Interactions with NPs of Varying Hydrophobicities 51 4.1 Introduction 51 4.2 Coarse-grained Model and Simulation Details 52 4.3 Results and Discussions 54 4.3.1 Characterizing the Oxidized Lipid Membranes 54 4.3.2 Oxidized Lipid Membranes Interacting with NPs of Various Degrees of Hydrophobicity 59 4.4 Summary 65 5 Summary and Outlook 69