使用QSense QCM-D 技術研究脂質體系

作者：Malin Edvardsson  

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

QCM-D：始于 90 年代的研究界面上脂質行為的開創性先鋒技術

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

這項開創性的研究至今仍是經典之作，它展示了 QCM-D 在脂質研究方面的優勢，如今 QCM-D 已成為該領域的標準技術二十余年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時分析技術，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在芯片表面形成和吸附的薄膜的質量變化和粘彈性特性的詳細信息。QCM-D 技術提供了有關表面附著層的質量、厚度和粘彈性特性的實時信息，使得能夠監測脂質與固體載體之間的相互作用動態，并表征形成的脂質結構。

圖 1. QCM-D 數據顯示了表面特異性囊泡相互作用動力學。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以及在相應表面上形成的脂質組裝類型的物理性質。

為什么選擇 QCM-D？

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

在脂質結構的分析和表征中，這一特性非常有用，因為它能夠區分例如排列成囊泡的脂質和排列成雙層的脂質，前者的結構將具有大量的相關溶劑，而后者則幾乎沒有。上述論文¹ 證明了 QCM-D 能夠揭示脂質系統中構象變化和結構重排的能力，其中不同的脂質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單分子層（由小的f和低的D 值揭示，即質量小和剛性層）

2. 在SiO₂上形成脂質雙層（通過兩步過程顯示，質量和能量損失首先增加，然后突然轉向，f值最終穩定在是單層的兩倍，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技術在脂質研究中的應用示例

QCM-D 技術廣泛應用于脂質研究，為以下幾個關鍵應用提供了見解：

1. 脂質囊泡表面相互作用的表征：
        QCM-D技術能夠實時監測囊泡在各種表面上的吸附、穩定性和破裂情況。這種區分不同表面相互作用行為的能力在設計脂質基平臺時非常重要。

2. 支撐脂質雙層的形成：
        支撐脂質雙層是生物膜的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雙層形成的過渡。QCM-D 分析有助于確定脂質雙層的質量和穩定性，這對于后續的分子相互作用至關重要。

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

發表文章和案例研究

如今，已有大量有關使用QCM-D技術研究分析脂質的論文。除了 Keller 和Kasemo的論文提供了繼續影響當前研究的基礎見解外，下列論文可以作為理解 QCM-D 在脂質分析中的強大能力的起點。這些研究探討了支撐雙層的形成、周圍環境如何影響其形成以及脂質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.    

結語

QCM-D技術已經革新了對脂質體系的研究，提供了對固體載體上的脂質形成動態和相互作用的詳細實時洞察。隨著該領域的不斷發展，QCM-D在脂質基礎研究中的應用必將不斷擴展，解鎖新的可能性和更深層次的理解。

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參考文獻

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