蔣中英 張國梁馬晶朱濤

1)(伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，伊寧 835000)

2)(南京大學(xué)物理學(xué)院，南京 210093)

(2012年2月29日收到;2012年8月6日收到修改稿)

1 引言

生物界中存在著數(shù)千種天然磷脂.在不同生物膜中，各類磷脂組分比例的差異性直接與特異性生物膜功能相關(guān).為建立并維持膜內(nèi)磷脂組分比例，磷脂需要在不同的生物膜結(jié)構(gòu)間實(shí)現(xiàn)跨膜運(yùn)輸與交換[1].因此，膜間磷脂交換是一項(xiàng)重要的生理活動.同時(shí)，藥物輸運(yùn)也涉及磷脂跨膜交換問題.許多以脂質(zhì)體為載體的藥物正處于臨床應(yīng)用或?qū)徍穗A段，這些藥物的能效與磷脂跨膜交換存在關(guān)聯(lián).例如，在鼠類卵巢細(xì)胞的原位研究中，正電性磷脂包裹的多孔硅小球被報(bào)道具有較高的藥物輸送能力[2];在鼠、兔活體研究中，正電性磷脂載運(yùn)的DNA，siRNA被證實(shí)具有顯著的細(xì)胞轉(zhuǎn)染表達(dá)效能[3]，而具有生物活性的細(xì)胞膜顯負(fù)電性.因此，異電性磷脂膜間的接觸和磷脂交換機(jī)理及其影響因素特別值得深入認(rèn)知.

正、負(fù)電性磷脂膜間的平衡磷脂交換量與磷脂跨膜交換速率已經(jīng)被深入研究.MacDonald等[4]，Saeki等[5]發(fā)現(xiàn)異電性膜組分分子間的靜電吸引作用是磷脂跨膜交換的主要驅(qū)動力.帶電磷脂組分比例越高，平衡磷脂交換量越大.文獻(xiàn)[6—9］考察了磷脂跨膜交換速率的多種影響因素，膜間磷脂交換隨著帶電磷脂組分比例、囊泡濃度、磷脂疏水性、膜組分側(cè)向擴(kuò)散系數(shù)、膜曲率的提高而增快.這些研究為深入理解磷脂跨膜交換過程提供了參考.然而不同于平衡磷脂交換量與磷脂跨膜交換速率，交換過程中磷脂膜間接觸狀態(tài)(包括總磷脂膜接觸面積等)的研究卻仍處于起步階段.通過冷凍電鏡與濁度儀測試，Ichikawa等[5]，Lehn等[10]觀測到伴隨著磷脂跨膜交換的異電性囊泡聚集行為.但是由于懸浮囊泡表征手段的限制，實(shí)時(shí)、定量的囊泡聚集態(tài)研究仍是空白.界面膜體系(包括支撐膜、吸附囊泡等)具有便于表征的優(yōu)點(diǎn).平面表征手段如原子力顯微鏡(AFM)、表面等離子體共振(SPR)和石英電子微天平及耗散系數(shù)測量儀(QCM-D)等都能用于觀測界面膜體系的動態(tài)變化過程.在先前的研究中，我們即采用吸附囊泡與支撐膜體系，實(shí)現(xiàn)了對磷脂跨膜交換過程中磷脂膜間接觸狀態(tài)的半定量表征，并初步探索了膜帶電量、膜流動性、膜曲率與磷脂膜間最大總接觸面積的關(guān)系[9].

在本研究中，我們進(jìn)一步采用QCM-D研究了溫度和離子強(qiáng)度對正電性支撐膜與負(fù)電性囊泡磷脂交換過程中膜間接觸面積的影響.QCM-D是一種高精度、實(shí)時(shí)記錄界面吸附層質(zhì)量與黏彈性變化的表征技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于測量高分子聚合物和蛋白質(zhì)的動力學(xué)吸附過程.如Decher等[11]，Kasemo等[12]利用QCM-D研究了溫度、鹽濃度、pH值等對SiO2表面吸附囊泡向支撐膜轉(zhuǎn)變的臨界覆蓋率的影響.在此，我們利用QCM-D手段表征了支撐膜表面異電性囊泡的吸附量，從而間接獲取膜間接觸狀況的信息.研究表明：溫度和鹽濃度的提高降低最大膜間總接觸面積.囊泡吸附速率和磷脂跨膜交換速率的變化在其中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用.本研究有助于加深理解部分磷脂跨膜交換參與的生物學(xué)現(xiàn)象，并對脂質(zhì)體藥物載體的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 材料

二油?；字Ｄ憠A(DOPC)、二油?；字＝z氨酸(DOPS)與二油酰基三甲氨基丙烷(DOTAP)購于 Avanti Polar Lipids公司.DOPC，DOTAP，DOPS分別為雙電性、正電性與負(fù)電性磷脂(分子式如圖1所示).所有磷脂跨膜交換實(shí)驗(yàn)都是在三(羥甲基)氨基甲烷鹽酸鹽-鹽酸(Tris-HCl)緩沖液中進(jìn)行的.緩沖液中Tris的濃度為100mmol/L，pH值為8，離子強(qiáng)度由NaCl濃度(CNaCl)調(diào)節(jié).

圖 1 DOPC，DOTAP和 DOPS的分子式 DOPC，DOTAP，DOPS分別為電雙性、正電性與負(fù)電性磷脂

2.2 囊泡制備

囊泡通過擠出法制備[13]，其過程簡述如下：氮?dú)飧稍锪字确氯芤盒纬闪字?，進(jìn)一步通過真空干燥箱干燥;緩沖液水化磷脂膜，形成多層脂質(zhì)體;通過提取器(100 nm孔徑濾膜)循環(huán)擠壓脂質(zhì)體溶液50次制備單層磷脂囊泡;制備的囊泡通過粒度儀(NanSight公司LM10納米粒度分析儀)與冷凍電鏡(FEI公司Tecnai 200 kV冷凍電鏡)方法檢測粒徑，其流體力學(xué)半徑(Rh)為56 nm±5 nm(圖2).

圖2 囊泡粒徑的動態(tài)光散射和冷凍電鏡測試，其中D為囊泡的流體力學(xué)直徑，Cv是囊泡的濃度

2.3 石英電子微天平及耗散系數(shù)測量儀測試

QCM-D高精度地實(shí)時(shí)記錄界面吸附層的質(zhì)量與黏彈性變化信息，其測量參數(shù)包括共振頻率偏移值(Δf)和能量耗散系數(shù)偏移值(ΔD).Δf與吸附層質(zhì)量(Δm)近似符合Sauerbrey關(guān)系[14]：

其中CQCM是質(zhì)量感應(yīng)常數(shù)，ΔD與吸附層的黏彈性質(zhì)相關(guān).如果吸附物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)趨近于液體性質(zhì)(高黏度、高耗散性，如磷脂囊泡)，則產(chǎn)生較高的ΔD(飽和吸附囊泡層的ΔD大于10-6);如果吸附物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)趨近于固體性質(zhì)(高彈性模量、低耗散性，如磷脂支撐膜)，則產(chǎn)生較低的ΔD(飽和吸附磷脂支撐膜的ΔD約10-7)[12].

磷脂跨膜交換實(shí)驗(yàn)使用了SiO2涂層的石英芯片(基頻為4.95 MHz)，在E1實(shí)驗(yàn)平臺(瑞典QSense公司)上進(jìn)行.溶液的進(jìn)樣流速被控制在20μL/min.具體步驟如下：首先在緩沖液環(huán)境下建立穩(wěn)定的基線;然后通過囊泡融合在SiO2表面形成正電性磷脂支撐膜結(jié)構(gòu);艙室內(nèi)剩余的囊泡通過緩沖液漂洗除去;進(jìn)一步通入負(fù)電性磷脂囊泡，磷脂在負(fù)電性囊泡與正電性支撐膜間進(jìn)行跨膜交換;磷脂交換結(jié)束后，再次通入緩沖液;每個(gè)交換實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次得到平均值與標(biāo)準(zhǔn)方差.文中所有數(shù)據(jù)的諧頻數(shù)為7.

3 結(jié)果

負(fù)電性囊泡與正電性支撐膜間的磷脂跨膜交換實(shí)驗(yàn)通過QCM-D表征.圖3和圖4展示了不同溫度、離子強(qiáng)度條件下測得的Δf-t與ΔD-t曲線.所有曲線以t=35 min為界可分為兩個(gè)部分：前半部分時(shí)間對應(yīng)著正電性囊泡在SiO2表面融合形成支撐膜結(jié)構(gòu)(成膜過程);后半部分時(shí)間對應(yīng)著負(fù)電性囊泡與正電性支撐膜進(jìn)行磷脂跨膜交換(交換過程).

3.1 成膜過程

對于DOTAP/DOPC組分比例為20/80的正電性囊泡的成膜過程，首先-Δf與ΔD隨時(shí)間增大，表示囊泡逐漸吸附到SiO2表面.隨后-Δf與ΔD降低，表示在達(dá)到囊泡臨界表面覆蓋率后，吸附囊泡開始顯著破裂形成片層支撐膜結(jié)構(gòu).最后Δf穩(wěn)定在-24.2 Hz±0.5 Hz，ΔD平衡在(5.0±1.2)×10-7，說明形成了完整的支撐膜結(jié)構(gòu).對于DOTAP/DOPC組分比例為50/50的正電性囊泡的成膜過程，-Δf與ΔD單調(diào)增加并最終平衡在-22.0 Hz±0.7 Hz與(6.4±3.4)×10-7，同樣表明形成了完整的支撐膜結(jié)構(gòu).以上兩種組分磷脂囊泡的成膜過程分別對應(yīng)著兩條成膜路徑：前者，囊泡所帶正電量較低(0.09 C/m2)，與SiO2襯底(負(fù)電性)吸引作用較弱，需要借助吸附囊泡之間的壓力(即通過達(dá)到囊泡臨界表面覆蓋率)實(shí)現(xiàn)成膜;后者，囊泡所帶正電量較高(0.23 C/m2)，與SiO2襯底吸引作用較強(qiáng)，在底面吸附后直接破裂成膜.Brisson等[15]通過AFM與橢圓偏振光譜測試也觀察到了這種襯底-囊泡相互作用強(qiáng)弱引起的不同的囊泡成膜途徑.

3.2 交換過程

在不同溫度條件下，交換過程測得的Δf與ΔD隨t的變化趨勢符合相同的規(guī)律(圖3).首先-Δf與ΔD隨時(shí)間升高，表示負(fù)電性囊泡開始吸附到正電性支撐膜表面(吸附主導(dǎo)階段).隨后-Δf與ΔD達(dá)到極值-Δfmin與ΔDmax.其中-Δfmin對應(yīng)著交換過程中支撐膜表面的最大囊泡吸附量[9].之后-Δf與ΔD開始降低，表示隨著磷脂跨膜交換，囊泡與支撐膜間的靜電吸引作用逐漸喪失，囊泡在支撐膜表面的解吸附主導(dǎo)了襯底的質(zhì)量與黏彈性變化(解吸附主導(dǎo)階段).最后Δf與ΔD分別穩(wěn)定在-23.5 Hz±2.1 Hz與 (1.2±0.6)×10-6，緩沖液漂洗不會顯著改變平衡的Δf與ΔD值，說明大多數(shù)吸附囊泡實(shí)現(xiàn)了解吸附[16].這個(gè)磷脂跨膜交換過程在Kasemo與我們之前的研究中已被詳細(xì)闡述[9].從Δf開始下降到最終Δf恢復(fù)平衡之間的時(shí)間被定義為tint.它表示囊泡與異電性支撐膜的總接觸作用時(shí)間.在時(shí)間tint內(nèi)，磷脂在囊泡與支撐膜間進(jìn)行跨膜交換.如果平衡磷脂交換量確定，則tint越大，磷脂跨膜交換速率越低;反之亦然.由圖3可見，tint隨著溫度的升高而降低.溫度每升高10°C，tint下降14%—38%.由于溫度變化不會顯著改變磷脂跨膜交換的靜電作用驅(qū)動力和平衡磷脂交換量[4]，所以溫度的升高加速了磷脂跨膜交換過程.同時(shí)，由圖3可見，Δfmin隨著溫度的升高而降低.溫度每升高10°C，-Δfmin降低24%—60%.

在不同離子強(qiáng)度條件下，交換過程測得的Δf與ΔD隨t的變化趨勢具有顯著差別(圖4).當(dāng)氯化鈉濃度(CNaCl)為400 mmol(離子強(qiáng)度約為 0.4mol/L)，支撐膜 DOTAP/DOPC組分比為20/80，囊泡內(nèi)DOPS/DOPC組分比任意時(shí)，Δf隨著時(shí)間無顯著變化，表示支撐膜表面無囊泡吸附;當(dāng)CNaCl為400 mmol，支撐膜DOTAP/DOPC組分比為50/50，囊泡內(nèi)DOPS/DOPC組分比為20/80時(shí)，Δf隨著t單調(diào)減小并最終穩(wěn)定在-8.3 Hz±1.5 Hz，ΔD單調(diào)增加并最終平衡在(3.6±0.4)×10-6，表示囊泡不可逆吸附在支撐膜表面.出現(xiàn)以上兩種情況的原因可能是溶液中的離子屏蔽了囊泡與支撐膜間的靜電吸引作用，導(dǎo)致囊泡無法在支撐膜表面吸附或吸附后沒有進(jìn)行有效的磷脂跨膜交換(致使囊泡無法進(jìn)一步解吸附).對于CNaCl為400 mmol，支撐膜DOTAP/DOPC組分比50/50，囊泡DOPS/DOPC組分比50/50和其他鹽濃度(CNaCl為0 mmol或100 mmol，離子強(qiáng)度分別約為10-8mol/L和0.1 mol/L)條件下的實(shí)驗(yàn)，-Δf與ΔD隨時(shí)間先增加后減小，表示經(jīng)歷了囊泡吸附主導(dǎo)與解吸附主導(dǎo)的磷脂交換的兩個(gè)階段.同時(shí)，tint隨著鹽濃度的提高而延長，CNaCl提高 100 mmol，tint增加 21%—148%.因?yàn)辂}濃度升高屏蔽了磷脂跨膜交換的靜電作用驅(qū)動力，降低平衡磷脂交換量[4]，所以離子強(qiáng)度的提高降低了磷脂跨膜交換速率.由圖4中還可以得到，-Δfmin隨著離子強(qiáng)度的提高而降低，CNaCl提高100 mmol，Δfmin降低6%—39%.

圖3 溫度對磷脂跨膜交換的影響 (a)，(b)Δf-t與ΔD-t曲線;(c)，(d)在不同溫度條件下測得的tint與-Δfmin統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)直方圖;實(shí)驗(yàn)所處溫度被標(biāo)注在各圖中，該組實(shí)驗(yàn)Tris-HCl緩沖液中CNaCl為100 mmol

4 討論

單個(gè)囊泡和支撐膜之間的接觸面積與囊泡在支撐膜表面吸附產(chǎn)生的形變(囊泡的高寬比變化)直接相關(guān).QCM-D的-ΔD/Δf(表示單位質(zhì)量吸附層所對應(yīng)的黏彈性)被證實(shí)能夠用于表征吸附囊泡的形變情況[12].囊泡形變程度越高(高寬比越低于1)，產(chǎn)生的-ΔD/Δf越低.不同溶液環(huán)境條件下交換過程的ΔD-Δf曲線需仔細(xì)地分析.如圖5所示，對于能夠有效進(jìn)行磷脂跨膜交換的實(shí)驗(yàn)，ΔD-Δf曲線構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，曲線的下半段對應(yīng)著囊泡吸附主導(dǎo)的階段，上半段對應(yīng)著囊泡解吸附主導(dǎo)的階段.吸附主導(dǎo)階段的-ΔD/Δf值一般略小于解吸附主導(dǎo)階段的-ΔD/Δf值，表明隨著磷脂跨膜交換的進(jìn)行，囊泡與支撐膜間的靜電吸引作用逐漸減弱，吸附囊泡的形變程度略微降低.以時(shí)間軸統(tǒng)計(jì)-ΔD/Δf值，發(fā)現(xiàn)單條實(shí)驗(yàn)曲線的-ΔD/Δf標(biāo)準(zhǔn)方差與平均值之比都低于12%，說明在整個(gè)交換時(shí)間段中，吸附囊泡的形變差異性并不非常顯著.統(tǒng)計(jì)所有實(shí)驗(yàn)曲線的平均-ΔD/Δf值得-ΔD/Δf=0.36±0.03，說明不同溶液環(huán)境帶來的吸附囊泡形變差異性也較小.因此，在以下的囊泡-支撐膜總接觸面積研究中，單個(gè)囊泡與支撐膜的接觸面積被近似為相同.

由于單個(gè)吸附囊泡與支撐膜的接觸面積相對恒定，所以囊泡與支撐膜的總接觸面積直接取決于囊泡的吸附量，即QCM-D實(shí)驗(yàn)參數(shù)Δfmin在代表支撐膜表面囊泡吸附最大量的同時(shí)，也對應(yīng)著最大的囊泡-支撐膜總接觸面積.我們之前的研究發(fā)現(xiàn)，囊泡在異電性支撐膜表面的最大吸附量是由囊泡吸附速率和磷脂跨膜交速率之間的競爭決定的[9].囊泡吸附速率的提高有利于增加最大囊泡吸附量，而磷脂跨膜交換速率的提高加速了囊泡與支撐膜間靜電吸引作用的喪失和囊泡的解吸附過程，不利于增加最大囊泡吸附量.

圖3中的QCM-D數(shù)據(jù)顯示，Δfmin隨著溫度的升高而降低，表示交換過程中囊泡的最大吸附量和最大囊泡-支撐膜總接觸面積隨著溫度的升高而降低;同時(shí)，tint隨著溫度的升高而降低，即磷脂跨膜交換速率隨著溫度的升高而增加.基于囊泡吸附速率和磷脂跨膜交換速率對于最大囊泡吸附量的競爭效應(yīng)，溫度的提高對磷脂跨膜交換的加速效應(yīng)應(yīng)強(qiáng)于對囊泡吸附的加速效應(yīng).這可以通過以下的分析簡單地理解.一方面，由于囊泡的吸附過程是受囊泡擴(kuò)散速率限制的[17]，所以溫度的升高會增加囊泡的擴(kuò)散和吸附速率.根據(jù)Stokes-Einstein方程[9]：

其中D是囊泡擴(kuò)散速率，kB是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度，η是溶液黏度.因此，實(shí)驗(yàn)溫度提升10—20°C，囊泡擴(kuò)散與吸附速率增加3%—6%.另一方面，半融合結(jié)構(gòu)是磷脂在異電性磷脂膜間交換所依賴的中間態(tài)結(jié)構(gòu)(如圖6所示)[18].在半融合結(jié)構(gòu)中，磷脂通過側(cè)向擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)跨膜交換[18].溫度的提高顯著增加磷脂的側(cè)向擴(kuò)散速率.Papahadjopoulos等[19]研究表明，溫度從20°C提升到40°C，液晶相磷脂膜的側(cè)向擴(kuò)散速率提升一個(gè)量級.隨著磷脂側(cè)向擴(kuò)散速率的增大，磷脂跨膜交換速率也被顯著提高.因此，溫度的升高增加囊泡吸附速率和磷脂跨膜交換速率，但對后者的增強(qiáng)效應(yīng)強(qiáng)于前者，導(dǎo)致最大囊泡吸附量和最大囊泡-支撐膜總接觸面積降低.

圖4 離子強(qiáng)度對磷脂跨膜交換的影響 (a)，(b)Δf-t與ΔD-t曲線;(c)，(d)在不同鹽濃度(離子強(qiáng)度)條件下測得的tint與-Δfmin統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)直方圖;實(shí)驗(yàn)所用CNaCl被標(biāo)注在各圖中，該組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)溫度為25°C

圖5 交換過程的囊泡在異電性支撐膜表面吸附產(chǎn)生的ΔD-Δf曲線(交換過程前的ΔD，Δf值被歸零) (a)，(b)的數(shù)據(jù)分別取自圖3和圖4;吸附、解吸附主導(dǎo)階段對應(yīng)曲線示意圖標(biāo)明在圖中的左下角

圖6 交換過程中半融合結(jié)構(gòu)示意圖 兩磷脂膜中相鄰兩葉發(fā)生融合，較遠(yuǎn)側(cè)兩葉保持完整，在半融合結(jié)構(gòu)中，磷脂通過側(cè)向擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)跨膜交換

圖4中的QCM-D數(shù)據(jù)顯示，Δfmin隨著離子強(qiáng)度的升高而降低，表示交換過程中囊泡的最大吸附量和最大囊泡-支撐膜總接觸面積隨著離子強(qiáng)度的增大而降低;同時(shí)，tint隨著離子強(qiáng)度的升高而增大，即磷脂跨膜交換速率隨著離子強(qiáng)度的升高而降低.基于囊泡吸附速率和磷脂跨膜交換速率對于最大囊泡吸附量的競爭效應(yīng)，離子強(qiáng)度的提高對磷脂跨膜交換的減速效應(yīng)應(yīng)弱于對囊泡吸附的減速效應(yīng).這也可以通過以下的分析簡單的理解：一方面，囊泡與支撐膜間的靜電吸引作用是囊泡向支撐膜靠近的主要驅(qū)動力，而長程的靜電相互作用被離子以雙電層形式強(qiáng)烈屏蔽，CNaCl為0，100，400 mmol緩沖溶液的Deybe半徑 (電場屏蔽尺度)分別為 3.1μm，1 nm，0.5 nm，因此，離子強(qiáng)度的增加顯著降低囊泡的吸附速率;另一方面，鹽離子破壞磷脂膜表面的有序水化層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)短程的磷脂膜間接觸[8,20]，有利于加速實(shí)現(xiàn)磷脂的跨膜交換，緩解長程靜電相互作用減弱帶來的磷脂跨膜交換速率降低.因此，離子強(qiáng)度的升高降低了囊泡吸附速率和磷脂跨膜交換速率，但對于前者的減弱效應(yīng)強(qiáng)于后者，導(dǎo)致最大囊泡吸附量和最大囊泡-支撐膜總接觸面積降低.

5 結(jié)論

磷脂在異電性膜結(jié)構(gòu)間的交換是一個(gè)復(fù)雜的過程.本文采用界面膜體系通過QCM-D表征手段研究了溫度和離子強(qiáng)度對該過程的影響.研究表明：1)溫度的升高加速囊泡與支撐膜間磷脂跨膜交換過程，降低囊泡的最大吸附量;離子強(qiáng)度的升高減緩囊泡與支撐膜間磷脂跨膜交換過程，降低囊泡最大吸附量;2)在各溶液條件下，支撐膜表面吸附囊泡形變的差異性較低，因此囊泡的吸附量直接對應(yīng)著囊泡與支撐膜的總接觸面積;3)溫度升高對磷脂跨膜交換的加速效應(yīng)強(qiáng)于對囊泡吸附的加速效應(yīng)，造成囊泡-支撐膜最大總接觸面積隨溫度升高而降低;離子強(qiáng)度升高對磷脂跨膜交換的減速效應(yīng)弱于對囊泡吸附的減速效應(yīng)，造成囊泡-支撐膜最大總接觸面積隨離子強(qiáng)度升高而降低.

許多磷脂跨膜交換過程的問題仍待解決，如膜間接觸面積的動力學(xué)變化過程、磷脂包裹顆粒與囊泡的交換差異性[21]、磷脂囊泡脫離支撐膜表面的方式[22]等.實(shí)際的醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用還要涉及囊泡在支撐膜表面的破裂和內(nèi)含物釋放問題[23].進(jìn)一步探索膜結(jié)構(gòu)間的接觸信息將有助于加深我們對以上問題的理解.

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