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纳米膜的纳米"魔法"

发布时间:2021年07月01日

  诗仙李白曾作"清水出芙蓉,天然去雕饰",寓意天然的事物胜过经人工雕琢掩饰过的,也就是说自然的才是最好的。然而在生物膜技术领域可不是这样,今天我们要介绍的主人公--纳米盘技术,就是人工制备的新型模拟天然磷脂双分子层膜环境,它具有良好的生物相容性及较长半衰期、可精准设计选择性靶向等优点【1】,为膜蛋白结构与功能研究提供了良好平台,也在生物医学临床研究领域表现出巨大的应用潜力。

纳米盘的"魔法"结构

  纳米盘是一种由磷脂和膜支架蛋白(membrane scaffold proteins, MSP)颗粒自组装而成的盘状磷脂双分子层,其中的MSP颗粒是一种类似ApoA-1蛋白的人工膜支架蛋白。ApoA-1是人体中高密度脂蛋白(high-density lipoprotein, HDL)的重要组成部分,在逆向胆固醇转运(reverse chlesterol transport, RCT)过程中发挥着重要作用。ApoA-1由243个氨基酸残基组成,将其N端的43个氨基酸残基切掉后可形成一种柔软而具有韧性的MSP颗粒,能够用来制备纳米盘【2】

  制备纳米盘最常见的方式是通过适当摩尔比,将MSP颗粒添加至去污剂稳定的磷脂当中,然后选择合适的方法去除去污剂,最终MSP颗粒会禁锢脂质体而形成一个盘状复合体,即纳米盘。其中,应用最多的两种MSP颗粒分别是MSP1D1和MSP1EE3D1。

膜蛋白功能研究的理想平台

  膜蛋白不仅可作为细胞膜的支架结构,也在信号转导、物质运输等细胞进程中起到关键作用【3】。但由于其自身具有双亲性质,难以直接纯化,在过度表达的过程中容易产生细胞内毒性、蛋白质错误折叠、膜表面蛋白聚集等问题,这些都极大地限制了天然膜蛋白的研究【4】,而纳米盘技术则有望成为解决这些问题的有力工具之一。

  当纳米盘技术与膜蛋白的纯化过程结合时,主要有两种方式(图1)。其一,首先利用去污剂或其他传统手段将膜蛋白提纯,得到纯净单一的目标膜蛋白,然后将目标蛋白与MSP颗粒以适量的摩尔比混合,加入脂质,让目标膜蛋白自聚,从而实现膜蛋白在纳米盘这种拟膜环境上表达;其二,直接将MSP颗粒引入膜蛋白混合物中,同时加入过量脂质,取得多种纳米盘结构,其中有表达目标膜蛋白的,也有干扰目标膜蛋白表达的,最后将不同纳米盘分类纯化,从而实现仅留下目标膜蛋白表达纳米盘的纯化目的【5】

图1 利用纳米盘纯化膜蛋白的两种途径

药物载体

  据统计,目前新发现的药物中约40%的化学药物都是脂溶性药物,其较低的水溶性大大限制了其在生物学方面的研究进展。在实际应用中,尤其是静脉注射给药过程中常需要加入增溶剂提高其利用率,然而这种处理方式很容易导致注射剂量大以及产生毒副作用的问题。纳米盘由于其模拟生物膜磷脂双分子层结构,磷脂分子的亲水头部暴露在外侧,亲脂长链位于纳米盘结构的内部,装载的药物被包裹在内部亲脂长链中间,目前有大量实验证明纳米盘材料对亲脂性的药物具有较好的负载能力。

  同时纳米递药系统构建的药物制剂尺寸小,粒径分布窄,表面修饰后可以进行靶向特异性定位,达到药物靶向输送的目的,并且还能保护药物分子,提高稳定性与生物相容性,可将显像和治疗相结合,实现疾病的诊断和治疗,在肿瘤疾病治疗过程中化学疗法的应用已取得了巨大进展。

  迄今为止,纳米盘作为药物载体因其特殊的优越性,如药物控释、靶向功能、高载药率等,在应用研究方面已经取得了长足进展,但目前仅限在动物模型中进行相关测试,仍需进一步深入探究与验证才有望在临床使用当中更好发挥其作为药物载体的优势。

心血管疾病防治器

  经脂质组学和蛋白质组学研究发现,血液HDL水平与心血管疾病发生的风险呈负相关,这使得人们普遍接受HDL血清浓度有助于预防心血管疾病的理论。与这些发现相一致,许多提高循环HDL水平的治疗方法一直是药学研究的焦点。然而,研究者们很快发现仅仅增加循环中的HDL颗粒数量远远不足以显著治疗心血管疾病,还应注重提高加入循环中HDL的功能性,如HDL颗粒的大小和形态变化能力。

  纳米盘的组成和物理化学参数可以很容易地进行化学调节和操纵,通过反复实验调整其尺寸、均匀性,使得清除胆固醇效率达到最佳状态,从而能够有效减少动物模型中动脉粥样硬化改变(图2)。ApoA-1在肝脏和肠道中以无脂形式合成,与磷脂和胆固醇迅速脂化形成盘状新生HDL。在周围组织中,新生的HDL颗粒通过巨噬细胞ABCA1和ABCG1转运体吸收游离胆固醇。游离胆固醇经卵磷脂-胆固醇酰基转移酶(LCAT)酯化形成胆固醇酯。成熟的HDL3粒子形成,可以转化为HDL2,被肝脏通过SR-B1吸收。纳米盘在体装载完毕,注射进入体内后被重塑为球状HDL,参与循环过程。这一实验已在治疗心血管疾病的一些早期动物实验中得到验证【6】

图2 循环系统高密度脂蛋白与纳米盘代谢示意图

结语

  纳米盘作为一种人工制备的拟膜结构,为长期以来受结构不稳定、聚集不方便所影响的膜蛋白研究提供了更好的平台,其大小可调,能够适应不同尺寸目标膜蛋白的表达需求,可提供长半衰期、强稳定性、高可溶性和精准靶向的优势拟膜环境,已被广泛应用于膜蛋白的生产纯化、受体配体结合的药物靶点研究以及结构生物学等领域,同时在临床医学领域,纳米盘已在药物载体、疫苗制备和多种疾病的预防与治疗中展现出巨大的潜力。相信在不远的将来,小小的纳米盘能够有更加巨大的"魔法",在生物医疗领域为我们提供更多更加新颖、更加可靠的治疗方案。(详情请点击“阅读原文”)

  参考文献:

  【1】Kuai R, Li D, Chen Y E, et al. High-density lipoproteins: Nature's multifunctional nanoparticles. Acs Nano, 2016, 10(3): 3015-3041

  【2】Munusamy S, Conde R, Bertrand B, et al. Biophysical approaches for exploring lipopeptide-lipid interactions. Biochimie, 2020, 170: 173-202

  【3】Vasseur L, Cens T, Wagner R, et al. Importance of the choice of a recombinant system to produce large amounts of functional membrane protein hERG. International Journal of Molecular Sciences, 2019, 20(13): 3181

  【4】Wang L, Tonggu L. Membrane protein reconstitution for functional and structural studies. Science China Life Sciences, 2015, 58(1): 66-74

  【5】Denisov I G, Sligar S G. Nanodiscs for structural and functional studies of membrane proteins. Nature Structural & Molecular Biology, 2016, 23(6): 481-486

  【6】Schwendeman A, Sviridov D O, Yuan W, et al. The effect of phospholipid composition of reconstituted HDL on its cholesterol efflux and anti-inflammatory properties. Journal of Lipid Research, 2015, 56(9): 1727-1737

  作者简介:

  魏鹏:北京中医药大学中医学院,讲师。主要从事生物大分子自组装与膜蛋白相互作用方面的研究。

  黄储涵:本科就读于北京中医药大学针推专业,现为中日友好医院皮肤科研究生。目前研究方向为RNA甲基化与毛发相关的内容。

 

(作者:崔钟丹、吴菁)

(本文来源于公众号: 生物化学与生物物理进展)

 

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