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控制囊泡制备的支撑脂质双层中功能脂质的空间分布。

Controlling spatial distribution of functional lipids in a supported lipid bilayer prepared from vesicles.

机构信息

Department of Materials Science and Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104, United States.

Department of Materials Science and Engineering, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104, United States.

出版信息

J Colloid Interface Sci. 2024 Jun 15;664:1042-1055. doi: 10.1016/j.jcis.2024.03.055. Epub 2024 Mar 11.

Abstract

Conjugating biomolecules, such as antibodies, to bioconjugate moieties on lipid surfaces is a powerful tool for engineering the surface of diverse biomaterials, including cells and nanoparticles. We developed supported lipid bilayers (SLBs) presenting well-defined spatial distributions of functional moieties as models for precisely engineered functional biomolecular-lipid surfaces. We used quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) and atomic force microscopy (AFM) to determine how vesicles containing a mixture of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DPPC) and 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[azido(polyethylene glycol)-2000] (DSPE-PEG-N) form SLBs as a function of the lipid phase transition temperature (T). Above the DPPC T, DPPC/DSPE-PEG-N vesicles form SLBs with functional azide moieties on SiO substrates via vesicle fusion. Below this T, DPPC/DSPE-PEG-N vesicles attach to SiO intact. Intact DPPC/DSPE-PEG-N vesicles on the SiO surfaces fuse and rupture to form SLBs when temperature is brought above the DPPC T. AFM studies show uniform and complete DPPC/DSPE-PEG-N SLB coverage of SiO surfaces for different DSPE-PEG-N concentrations. As the DSPE-PEG-N concentration increases from 0.01 to 6 mol%, the intermolecular spacing of DSPE-PEG-N in the SLBs decreases from 4.6 to 1.0 nm. The PEG moiety undergoes a mushroom to brush transition as DSPE-PEG-N concentration varies from 0.1 to 2.0 mol%. Via copper-free click reaction, IgG was conjugated to SLB surfaces with 4.6 nm or 1.3 nm inter-DSPE-PEG-N spacing. QCM-D and AFM data show; 1) uniform and complete IgG layers of similar mass and thickness on the two types of SLB; 2) a higher-viscosity/less rigid IgG layer on the SLB with 4.6 nm inter-DSPE-PEG-N spacing. Our studies provide a blueprint for SLBs modeling spatial control of functional macromolecules on lipid surfaces, including surfaces of lipid nanoparticles and cells.

摘要

将生物分子(如抗体)与脂质表面上的生物缀合部分连接,是工程化各种生物材料(包括细胞和纳米颗粒)表面的有力工具。我们开发了具有明确功能部分空间分布的支撑脂质双层(SLB)作为精确工程化功能生物分子-脂质表面的模型。我们使用石英晶体微天平(QCM-D)和原子力显微镜(AFM)来确定包含 1,2-二棕榈酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DPPC)和 1,2-二硬脂酰基-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[叠氮(聚乙二醇)-2000](DSPE-PEG-N)混合物的囊泡如何形成 SLB,其功能是作为脂质相转变温度(T)的函数。在 DPPC T 以上,DPPC/DSPE-PEG-N 囊泡通过囊泡融合在 SiO 基底上形成具有功能叠氮部分的 SLB。在这个温度以下,DPPC/DSPE-PEG-N 囊泡完整地附着在 SiO 上。当温度升高到 DPPC T 以上时,SiO 表面上完整的 DPPC/DSPE-PEG-N 囊泡融合并破裂形成 SLB。AFM 研究表明,对于不同的 DSPE-PEG-N 浓度,SiO 表面上 DPPC/DSPE-PEG-N SLB 的覆盖率均匀且完整。随着 DSPE-PEG-N 浓度从 0.01 增加到 6 mol%,SLB 中 DSPE-PEG-N 的分子间间距从 4.6 减小到 1.0 nm。当 DSPE-PEG-N 浓度从 0.1 增加到 2.0 mol%时,PEG 部分经历从蘑菇到刷的转变。通过无铜点击反应,将 IgG 连接到具有 4.6nm 或 1.3nm 间隔的 DSPE-PEG-N 的 SLB 表面。QCM-D 和 AFM 数据表明:1)在两种类型的 SLB 上具有相似质量和厚度的均匀和完整的 IgG 层;2)在具有 4.6nm 间隔的 DSPE-PEG-N 的 SLB 上具有更高粘度/更刚性的 IgG 层。我们的研究为 SLB 提供了蓝图,用于模拟脂质表面上功能大分子的空间控制,包括脂质纳米颗粒和细胞的表面。

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