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使用QSense QCM-D 技術(shù)研究脂質(zhì)體系

作者：Malin Edvardsson  

在生物物理、生物技術(shù)以及相關(guān)領(lǐng)域，了解脂質(zhì)體系的復(fù)雜行為具有重要意義。這些體系包括脂質(zhì)單層、脂質(zhì)雙層和囊泡等，被廣泛應(yīng)用于從藥物遞送到生物傳感器開發(fā)等各種應(yīng)用中。耗散型石英晶體微天平技術(shù)(QCM-D)是研究這些系統(tǒng)的excellent工具之一，為揭示脂質(zhì)系統(tǒng)在固體載體上形成動態(tài)和相互作用提供了uncomparable的洞察力。

QCM-D：始于 90 年代的研究界面上脂質(zhì)行為的開創(chuàng)性先鋒技術(shù)

1998 年，Keller 和Kasemo發(fā)表了一篇開創(chuàng)性的論文¹ ，展示了 QCM-D 在分析界面脂質(zhì)行為方面的強(qiáng)大功能。該論文探討了脂質(zhì)-表面相互作用動力學(xué)，即脂質(zhì)如何與三種不同類型的表面材料相互作用和排列，直接且實(shí)時地揭示了脂質(zhì)在表面形成的是單層、雙層還是一層完整的囊泡，這是當(dāng)時任何其他檢測方法都無法實(shí)現(xiàn)的。

這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究至今仍是經(jīng)典之作，它展示了 QCM-D 在脂質(zhì)研究方面的優(yōu)勢，如今 QCM-D 已成為該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)二十余年¹ 。

什么是 QCM-D？

那么，什么是 QCM-D？耗散型石英晶體微天平是一種表面敏感的實(shí)時分析技術(shù)，可測量石英晶體芯片的共振頻率 ( f ) 和能量耗散 ( D ) 的變化。這些測量提供了有關(guān)在芯片表面形成和吸附的薄膜的質(zhì)量變化和粘彈性特性的詳細(xì)信息。QCM-D 技術(shù)提供了有關(guān)表面附著層的質(zhì)量、厚度和粘彈性特性的實(shí)時信息，使得能夠監(jiān)測脂質(zhì)與固體載體之間的相互作用動態(tài)，并表征形成的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖 1. QCM-D 數(shù)據(jù)顯示了表面特異性囊泡相互作用動力學(xué)。小囊泡在三種不同的表面（硫醇化金、SiO ₂和氧化金）吸附研究¹，頻率和耗散的組合揭示了囊泡-表面相互作用的動力學(xué)以及在相應(yīng)表面上形成的脂質(zhì)組裝類型的物理性質(zhì)。

為什么選擇 QCM-D？

能夠測量和檢測結(jié)構(gòu)變化（如囊泡破裂和融合過程）的關(guān)鍵在于 QCM-D 能夠測量通常所說的“水合質(zhì)量"。而通過例如光學(xué)技術(shù)測量的“干質(zhì)量"是指目標(biāo)分子的質(zhì)量，而水合質(zhì)量包括分子和相關(guān)溶劑。不同的結(jié)構(gòu)和分子組裝體會捕獲不同量的溶劑，因此監(jiān)測水合質(zhì)量可以檢測到構(gòu)象變化，如附著層的膨脹和塌陷，以及從囊泡到雙層的轉(zhuǎn)變。在這些結(jié)構(gòu)重排中，表面上的分子數(shù)量基本保持不變，但耦合溶劑的量有所不同。

在脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析和表征中，這一特性非常有用，因?yàn)樗軌騾^(qū)分例如排列成囊泡的脂質(zhì)和排列成雙層的脂質(zhì)，前者的結(jié)構(gòu)將具有大量的相關(guān)溶劑，而后者則幾乎沒有。上述論文¹ 證明了 QCM-D 能夠揭示脂質(zhì)系統(tǒng)中構(gòu)象變化和結(jié)構(gòu)重排的能力，其中不同的脂質(zhì)組裝體捕獲不同量的溶劑，該論文顯示(圖1）：

1. 在甲基末端硫醇上形成脂質(zhì)單分子層（由小的f和低的D 值揭示，即質(zhì)量小和剛性層）

2. 在SiO₂上形成脂質(zhì)雙層（通過兩步過程顯示，質(zhì)量和能量損失首先增加，然后突然轉(zhuǎn)向，f值最終穩(wěn)定在是單層的兩倍，D值較低。這表明囊泡首先完整地吸附在表面，然后在臨界覆蓋率下破裂并融合形成雙分子層）

3. 脂質(zhì)囊泡在氧化金上吸附完整（f和D值都大幅增加，即存在大量質(zhì)量吸收和柔軟的吸附層，這表明在表面存在完整囊泡層）

QCM-D技術(shù)在脂質(zhì)研究中的應(yīng)用示例

QCM-D 技術(shù)廣泛應(yīng)用于脂質(zhì)研究，為以下幾個關(guān)鍵應(yīng)用提供了見解：

1. 脂質(zhì)囊泡表面相互作用的表征：
        QCM-D技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測囊泡在各種表面上的吸附、穩(wěn)定性和破裂情況。這種區(qū)分不同表面相互作用行為的能力在設(shè)計脂質(zhì)基平臺時非常重要。

2. 支撐脂質(zhì)雙層的形成：
        支撐脂質(zhì)雙層是生物膜的excellent模擬。QCM-D提供了雙層形成過程的special指紋，揭示了從囊泡吸附到脂質(zhì)雙層形成的過渡。QCM-D 分析有助于確定脂質(zhì)雙層的質(zhì)量和穩(wěn)定性，這對于后續(xù)的分子相互作用至關(guān)重要。

3. 與脂質(zhì)膜的分子相互作用：
        QCM-D 可以監(jiān)測各種分子（如蛋白質(zhì)、肽和納米顆粒）與脂質(zhì)膜的結(jié)合和相互作用。此功能在生物傳感和藥物遞送等應(yīng)用中具有重要意義，在這些應(yīng)用中，了解相互作用動力學(xué)可以更好地改善基于脂質(zhì)系統(tǒng)的設(shè)計和功能。

發(fā)表文章和案例研究

如今，已有大量有關(guān)使用QCM-D技術(shù)研究分析脂質(zhì)的論文。除了 Keller 和Kasemo的論文提供了繼續(xù)影響當(dāng)前研究的基礎(chǔ)見解外，下列論文可以作為理解 QCM-D 在脂質(zhì)分析中的強(qiáng)大能力的起點(diǎn)。這些研究探討了支撐雙層的形成、周圍環(huán)境如何影響其形成以及脂質(zhì)囊泡與各種表面的相互作用。

1)         Surface specific kinetics of lipid vesicle adsorption measured with a quartz crystal microbalance
Keller, CA and Kasemo, B, Biophysical Journal, 75, 3 (1998), pp 1397 – 1402

2)         Intact vesicle adsorption and supported biomembrane formation from vesicles in solution: influence of surface chemistry, vesicle size, temperature and osmotic pressure
Reimhult, E. et al., Langmuir, 19, 5 (2003), pp 1681 – 1691

3)         Pathways of lipid vesicle deposition on solid surfaces: A combined QCM-D and AFM study
Richter, R., et al., Biophysical Journal, 85, 5 (2003), pp 3035-3047

4)         Simultaneous surface plasmon resonance and quartz crystal microbalance with dissipation monitoring measurements of biomolecular adsorption events involving structural transformations and variations in coupled water
Reimhult, E., et al., Analytical Chemistry, 76, 24 (2004), pp 7211-7220

5)         Formation of Supported bilayers on silica substrates
Anderson, T. H., et al., Langmuir, 25, 12 (2009), pp 6997-7005

6)         Influence of mono- and divalent ions on the formation of supported phospholipid bilayers via vesicle adsorption
Seantier, B. and Kasemo, B., Langmuir, 19, 25 (2009), pp 5767-5772

7)         Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring of supported lipid bilayers on various substrates
Cho, NJ., et al., Nature protocols, 5, 6 (2010), pp 1096-1106

8)      Influence of Divalent Cations on Deformation and Rupture of Adsorbed Lipid Vesicles
Dacic, M., et al., Langmuir, 32, 25 (2016), pp 6486-6495.    

結(jié)語

QCM-D技術(shù)已經(jīng)革新了對脂質(zhì)體系的研究，提供了對固體載體上的脂質(zhì)形成動態(tài)和相互作用的詳細(xì)實(shí)時洞察。隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，QCM-D在脂質(zhì)基礎(chǔ)研究中的應(yīng)用必將不斷擴(kuò)展，解鎖新的可能性和更深層次的理解。

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參考文獻(xiàn)

1.  Keller and Kasemo, Biophysical Journal, 75, 1998