科研进展 | 熵驱动脂质纳米颗粒与膜的特异性结合

2022-11-04
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脂质纳米颗粒是指表面包覆有一层脂质分子的纳米颗粒,它们在解决传统纳米药物输运载体所面临的一些“瓶颈”问题上具有独特优势,是目前最受人们关注的仿生药物递送平台之一。特别是,近年来脂质纳米颗粒在COVID-19 mRNA疫苗制备中发挥了重要的作用,在核酸治疗领域也显示出巨大的潜力。实现脂质纳米颗粒向特定种类细胞或细胞器的靶向输运是进一步提高其性能和实现临床应用的关键。深入理解脂质纳米颗粒与不同种类细胞(尤其是细胞膜)之间的识别和结合机制,对于开发应用于精准治疗的靶向载体至关重要。

松山湖材料实验室纳米生物材料团队元冰研究员与苏州大学杨恺教授联合团队,采用分子模拟技术系统地研究了脂质纳米颗粒与不同种类细胞膜之间的识别和结合过程。研究发现脂质纳米颗粒与膜之间的结合会采用一种独特的两步机制:颗粒与膜的接触以及之后的脂质交换。更重要的是,研究表明这一结合过程是一个熵驱动的过程。这也使得脂质纳米颗粒能够有效区分具有不同脂质成分的膜。这些结果有助于理解脂质纳米颗粒与膜相互作用的微观分子机制,并为设计细胞膜靶向的脂质纳米药物载体提供了有效的熵调控策略。相关成果以“Membrane-Specific Binding of 4 nm Lipid Nanoparticles Mediated by an Entropy-Driven Interaction Mechanism”为题发表在ACS Nano上。

 

脂质纳米颗粒-膜特异性结合

不同类型的细胞膜具有特定的脂质组成特征(包括电荷、脂质饱和度、胆固醇含量等)。研究者们通过对二十余种具有不同组分的脂膜与近十类包覆有不同脂质或具有不同性质颗粒核心的脂质纳米颗粒之间的相互作用情况进行系统研究后发现,脂质纳米颗粒与不同组分的膜的结合差异性很大。例如,随着膜内胆固醇含量增加,脂质纳米颗粒与膜结合概率会显著增大;而在胆固醇含量相同的条件下,当膜中饱和脂质分子(如DPPC)被不饱和脂质分子(如DOPC)取代时,脂质纳米颗粒与脂膜的结合会变得更加容易。此外,脂质纳米颗粒的性质(例如,包覆脂质的饱和性、纳米颗粒的亲疏水性)也会影响其与膜结合。

图1. 脂质纳米颗粒与膜特异性结合

脂质纳米颗粒-膜结合中的“两步机制”

脂质纳米颗粒与膜的结合呈现由“吸附”到“脂质交换”的“两步机制”。首先,研究表明脂质纳米颗粒与膜的结合对细胞膜的带电状态很敏感。例如,脂质纳米颗粒很难与组分为DOPC:DOPS = 75:25的脂膜结合,但是当带电脂质DOPS的百分比增加到33%后,脂质纳米颗粒与膜结合概率可增加5倍。这些结果似乎表明脂质纳米颗粒与膜的结合是由静电相互作用所主导。其次,研究者们的进一步研究发现,静电相互作用所导致的颗粒与脂膜的接触只是两者结合的第一步,而随后的脂质交换行为对于两者形成稳定的结合状态则更为关键:包覆在颗粒表面的脂质分子会从颗粒上脱离、翻转,并插入膜内;而脂膜中的脂质分子也会从膜中脱离、吸附到颗粒表面。这一“两步机制”的发现有助于对脂质纳米颗粒对不同组分脂膜的选择性结合行为的理解。

图2. 脂质纳米颗粒与膜结合的两步机制:颗粒与膜的接触以及之后的脂质交换

熵驱动脂质纳米颗粒与膜结合

探索熵和焓之间的竞争对于理解脂质纳米颗粒与膜结合作用的物理本质极为关键。研究者进一步通过计算不同纳米颗粒与膜相互作用过程中自由能、焓和熵等物理量的变化后发现,脂质纳米颗粒与膜的结合过程中自由能的降低主要取决于熵的变化。两者作用中熵的变化主要包括:当脂质纳米颗粒靠近膜时,系统的构象熵会由于颗粒与膜接触区域的脂质分子排列状态发生改变而增加;而随着包覆脂质分子与膜内脂质分子的交换等过程,系统的构象熵还会进一步增加。总的来说,脂质纳米颗粒与膜结合是一个熵驱动的过程。

图3. 脂质纳米颗粒与膜相互作用过程中自由能、熵和焓的变化

脂质纳米颗粒与膜结合行为的熵调控策略

在此基础上,研究者们针对性地提出了一系列基于熵调控来实现脂质纳米颗粒选择性结合特定细胞膜的设计策略。例如,研究者们利用疏水性较弱的纳米颗粒,增大“脂质交换”步骤中的构象熵变化幅度,从而提高颗粒与膜的吸结合概率;以及,选用尾链不饱和度更高的包覆脂质,改变脂质在颗粒表面的吸附状态,从而实现对特定种类细胞膜的选择性结合。进一步地,研究者们测试了脂质纳米颗粒与真实细菌膜和红细胞膜的相互作用情况。结果发现,两种细胞膜物理化学性质的差异导致脂质纳米颗粒特异性地与细菌膜(包括细菌内膜和细菌外膜)结合,而无法与红细胞膜发生吸附。这为提高脂质纳米颗粒的细胞靶向性、降低生物毒性提供了指导。

图4. 通过调控脂质纳米颗粒的结构性质以实现选择性结合特定细胞膜

 

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c04774

撰稿:纳米生物材料团队