使用QSense QCM-D 技术研究脂质体系

作者：Malin Edvardsson 

在生物物理、生物技术以及相关领域，了解脂质体系的复杂行为具有重要意义。这些体系包括脂质单层、脂质双层和囊泡等，被广泛应用于从药物递送到生物传感器开发等各种应用中。耗散型石英晶体微天平技术(QCM-D)是研究这些系统的最强大工具之一，为揭示脂质系统在固体载体上形成动态和相互作用提供了无与伦比的洞察力。

QCM-D：始于 90 年代的研究界面上脂质行为的开创性先锋技术

1998 年，Keller 和Kasemo发表了一篇开创性的论文¹ ，展示了 QCM-D 在分析界面脂质行为方面的强大功能。该论文探讨了脂质-表面相互作用动力学，即脂质如何与三种不同类型的表面材料相互作用和排列，直接且实时地揭示了脂质在表面形成的是单层、双层还是一层完整的囊泡，这是当时任何其他检测方法都无法实现的。

这项开创性的研究至今仍是经典之作，它展示了 QCM-D 在脂质研究方面的优势，如今 QCM-D 已成为该领域的标准技术二十余年¹ 。

什么是 QCM-D？

图 1. QCM-D 数据显示了表面特异性囊泡相互作用动力学。小囊泡在三种不同的表面（硫醇化金、SiO ₂和氧化金）吸附研究¹，频率和耗散的组合揭示了囊泡-表面相互作用的动力学以及在相应表面上形成的脂质组装类型的物理性质。

为什么选择 QCM-D？

能够测量和检测结构变化（如囊泡破裂和融合过程）的关键在于 QCM-D 能够测量通常所说的“水合质量”。而通过例如光学技术测量的“干质量”是指目标分子的质量，而水合质量包括分子和相关溶剂。不同的结构和分子组装体会捕获不同量的溶剂，因此监测水合质量可以检测到构象变化，如附着层的膨胀和塌陷，以及从囊泡到双层的转变。在这些结构重排中，表面上的分子数量基本保持不变，但耦合溶剂的量有所不同。

在脂质结构的分析和表征中，这一特性非常有用，因为它能够区分例如排列成囊泡的脂质和排列成双层的脂质，前者的结构将具有大量的相关溶剂，而后者则几乎没有。上述论文¹ 证明了 QCM-D 能够揭示脂质系统中构象变化和结构重排的能力，其中不同的脂质组装体捕获不同量的溶剂，该论文显示(图1）：

• 在甲基末端硫醇上形成脂质单分子层（由小的f和低的D值揭示，即质量小和刚性层）

• 在SiO₂上形成脂质双层（通过两步过程显示，质量和能量损失首先增加，然后突然转向，f值最终稳定在是单层的两倍，D值较低。这表明囊泡首先完整地吸附在表面，然后在临界覆盖率下破裂并融合形成双分子层）

• 脂质囊泡在氧化金上吸附完整（f和D值都大幅增加，即存在大量质量吸收和柔软的吸附层，这表明在表面存在完整囊泡层）

QCM-D技术在脂质研究中的应用示例

QCM-D 技术广泛应用于脂质研究，为以下几个关键应用提供了见解：

1. 脂质囊泡表面相互作用的表征：
   QCM-D技术能够实时监测囊泡在各种表面上的吸附、稳定性和破裂情况。这种区分不同表面相互作用行为的能力在设计脂质基平台时非常重要。

2. 支撑脂质双层的形成：
   支撑脂质双层是生物膜的绝佳模拟。QCM-D提供了双层形成过程的独特指纹，揭示了从囊泡吸附到脂质双层形成的过渡。QCM-D 分析有助于确定脂质双层的质量和稳定性，这对于后续的分子相互作用至关重要。

3. 与脂质膜的分子相互作用：
   QCM-D 可以监测各种分子（如蛋白质、肽和纳米颗粒）与脂质膜的结合和相互作用。此功能在生物传感和药物递送等应用中具有重要意义，在这些应用中，了解相互作用动力学可以更好地改善基于脂质系统的设计和功能。

发表文章和案例研究

如今，已有大量有关使用QCM-D技术研究分析脂质的论文。除了 Keller 和Kasemo的论文提供了继续影响当前研究的基础见解外，下列论文可以作为理解 QCM-D 在脂质分析中的强大能力的起点。这些研究探讨了支撑双层的形成、周围环境如何影响其形成以及脂质囊泡与各种表面的相互作用。

• 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
  
  
• 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
  
  
• 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
  
  
• 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
  
  
• Formation of Supported bilayers on silica substrates
  Anderson, T. H., et al., Langmuir, 25, 12 (2009), pp 6997-7005
  
  
• 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
  
  
• 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
  
  
• Influence of Divalent Cations on Deformation and Rupture of Adsorbed Lipid Vesicles
  Dacic, M., et al., Langmuir, 32, 25 (2016), pp 6486-6495.    

结语

QCM-D技术已经彻底革新了对脂质体系的研究，提供了对固体载体上的脂质形成动态和相互作用的详细实时洞察。随着该领域的不断发展，QCM-D在脂质基础研究中的应用必将不断扩展，解锁新的可能性和更深层次的理解。

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参考文献

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