支撑脂双层和天然膜颗粒是可模拟细胞膜特性的便捷体系,可被整合到多种分析策略中。本文展示了一种制备微阵列的方法,该微阵列由涂覆有支撑脂双层的SiO2微珠、磷脂囊泡或天然膜颗粒组成。
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支撑脂双层和天然膜颗粒是可模拟细胞膜特性的便捷体系,可被整合到多种分析策略中。本文展示了一种制备微阵列的方法,该微阵列由涂覆有支撑脂双层的SiO2微珠、磷脂囊泡或天然膜颗粒组成。
脂质双分子层构成细胞的质膜,并界定亚细胞器的边界。在自然界中,这些膜是由多种脂质组成的异质混合物,含有膜结合蛋白,并修饰有碳水化合物。在某些实验中,需要将脂质双分子层的生物物理或生物化学特性与天然膜的其他组分分离开来。这类情况需要使用模型系统,例如巨型囊泡、脂质体或支撑脂质双层(SLB)。SLB阵列在传感应用及模拟细胞间相互作用方面尤其具有吸引力。本文中,我们描述了一种形成SLB阵列的新方法。首先将亚微米直径的SiO2微球包覆上脂质双层,形成球形SLB(SSLB)。然后将这些微球沉积到微加工制备的亚微米直径微孔阵列中。该制备技术采用“刮刀”法清除基底表面的多余微球,而保留在微孔内的SSLB不受影响。该方法无需对微孔基底进行化学修饰,也不需要在SSLB上引入特定的靶向配体。由于微孔直径被精确调控为略大于微球直径,每个微孔通常仅容纳单个微球。通常情况下,超过75%的微孔被占据,其余微孔保持空置。在缓冲液中,SSLB阵列可长期稳定存在,稳定性超过一周。通过连续沉积,可在同一阵列中放置多种类型的SSLB,且该阵列可用于传感检测;我们通过表征霍乱毒素与神经节苷脂GM1的相互作用对此进行了验证。我们还证明,不含微球支撑的磷脂囊泡以及来源于细胞的生物膜也可采用相同方法进行阵列化,并可识别细胞特异性的膜脂成分。
脂质双分子层膜是自然界中的重要结构。细胞质膜和细胞器膜均由脂质双分子层构成,其中嵌入了多种维持生命所必需的分子。许多维持生命的关键过程发生在细胞表面,或由与脂质双分子层膜相关的分子介导。事实上,许多药物的作用靶点正是位于膜上或膜内的过程或分子。1,2因此,有必要对发生在膜表面的化学反应或非共价结合等过程进行分析研究。由于天然膜难以分离和/或与传感器连接,许多研究人员采用简化的模型膜系统开展分析研究。文献中已报道了多种模型膜体系,其尺寸范围从直径达数十至数百微米的巨型囊泡,到具有纳米级尺寸的脂质体。3,4. 或者,可将平面脂质双层沉积于固体支撑物上, 即支持性脂双层(SLBs)可在多种不同表面上形成,并已广泛应用于生物物理、生物化学和分析领域5将支撑脂双层(SLBs)与电学或光学材料耦合,可利用多种分析技术研究膜生物化学与膜生物物理学。荧光显微镜6, 电化学7,光学光谱学8扫描探针显微镜技术9表面等离子体共振10,质谱法11 均已用于研究SLB的结构与性质。
SLB 芯片在多联检测传感器的设计中提供了更高的灵活性12,13。其他应用则利用 SLB 芯片模拟免疫细胞之间形成的连接界面14。SLB 芯片的制备方法多种多样,包括采用微流控技术15,以及使用物理屏障分隔相邻 SLB 区域的方法16。此外,一些研究团队还采用了打印技术17、光化学图案化技术18 和多种纳米工程方法19 来构建 SLB 芯片。
本文及配套视频展示了一种通过将涂有支撑脂双层(SLB)的SiO2微球沉积到有序排列的微孔阵列中来构建SLB阵列的方法20。我们将涂有SLB的SiO2微球称为球形支撑脂双层(SSLB)。该技术是先前研究的延伸,此前工作曾构建了来源于天然来源的磷脂囊泡和生物膜阵列21,本文也展示了相关示例结果。其他用于排列生物膜颗粒或囊泡的方法依赖于在表面构建特定靶向配体图案,这些配体可与囊泡表面所含互补配体结合。例如生物素-亲和素相互作用22,23和DNA杂交策略24。我们的方法仅需使用微孔阵列,无需任何靶向或识别分子。SSLB的尺寸由SiO2微球载体的直径决定,而这些微球具有较低的粒径分布多分散性。通过调节微孔直径略大于SSLB直径,可确保每个微孔中仅沉积一个SSLB。随后使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)刮板去除未固定在微孔中的所有SSLB。所形成的微孔及SSLB阵列具有高密度(约~105个SSLB/mm2),中心间距为3 µm,并呈六方周期性排列。通过依次沉积不同脂质组成的SSLB,可构建包含随机分布SSLB的多组分阵列。为验证SSLB阵列的传感能力,我们利用霍乱毒素(CTx)与SSLB中掺入的神经节苷脂(GM1)之间的相互作用进行了检测。在使用天然膜颗粒的实验中,我们能够在包含两种不同细胞来源膜材料的多组分阵列中检测到细胞特异性脂质。
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1. 微孔阵列基底的微加工
2. 聚二甲基硅氧烷刮刀的制备
3. 囊泡的制备
4. 球形支撑脂双层的形成
5. SSLB 阵列的组装
注意:上述组装方法可用于创建天然膜颗粒阵列,例如从小鼠脑组织中分离的髓鞘颗粒,或不含SiO2微珠支撑的磷脂囊泡。该研究工作在Wittenberg et al.21中已有详细描述,代表性结果如下所示。
6. 霍乱毒素结合实验
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当SiO2微珠与含有磷脂、荧光脂质以及其他脂质(如神经节苷脂)组成的囊泡溶液混合时,囊泡会在SiO2微珠表面破裂,形成固载双层脂膜(SSLBs),如图1a所示。在洗涤SSLBs后,将一滴SSLB溶液置于微孔阵列表面,使微珠沉降到基底上(图1b1)。该步骤也可使用磷脂囊泡或天然膜颗粒的悬浮液完成,如图1b2所示。吸附到微孔阵列基底上的磷脂囊泡的荧光图像如图1b3所示。随后,使PDMS刮片轻轻滑过表面,以去除未落入微孔中的SSLBs(图1c1)、囊泡或天然膜颗粒(图1c2)。最终形成一个SSLB阵列,其中每个微孔最多包含一个SSLB(图1d1),或形成每个微孔中含有多个囊泡或天然膜颗粒的阵列(图1d2)。由荧光标记囊泡构成的微阵列图像如图1d3所示。
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本研究显示,包被有支撑性脂双层的单分散 SiO2 微球可在微孔阵列中自组装排列,无需在脂双层或基底表面修饰靶向配体,且该阵列可用于表征毒素与脂质之间的相互作用。我们计算得到的 CTx/GM1 结合解离常数与 Winter et al. 之前的报道结果相当,后者采用脂质包被微球的胶体自组装方法测得解离常数约为 30 nM;鉴于文献中该值存在较大差异,我们的结果具有可比性。通过将数据拟合至 Hill-Waud 结合模型,我们确定 CTx/GM1 相互作用可能为多价结合,这与先前报道一致28。CTx 的 B 亚基(神经节苷脂结合亚基)以五聚体形式存在,其中每个五聚体单元均可结合一个 GM1 分子29;因此,考虑到 GM1 在支撑性脂双层(SLBs)中具有扩散流动性,多个亚基同时结合的现象并不意外30。
化学功能化微珠阵列已用于其他分析研究31。在这些类型的实验中,通常将微珠固定在刻蚀光纤末端形成的微孔中。通过混合微珠的不同亚群并同时将其固定在光纤末端,可在此配置...
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作者声明无竞争性财务利益。
本工作获得了以下机构对 S.H.O. 的资助:美国国立卫生研究院(R01 GM092993)、美国国家科学基金会(NSF CAREER 奖项和 DBI 0964216)、美国海军研究办公室(ONR)青年研究员计划以及明尼苏达州生物技术和医学基因组学合作伙伴奖。器件的制备在明尼苏达大学纳米制造中心(NFC)完成,该中心通过国家纳米技术基础设施网络获得美国国家科学基金会的支持。本工作还获得了美国国立卫生研究院(NS048357、R21 NS073684)、美国国家多发性硬化症协会(CA1060A11)、Applebaum 基金会、Hilton 基金会、Peterson 基金会、Sanford 基金会以及 McNeilus 家族对 M.R. 的资助。作者感谢 Hyungsoon Im 在插图绘制方面的协助,以及 Shailabh Kumar 在扫描电子显微镜方面的协助。
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