本文介绍了含有纳米盘的生物活性物质的制备与表征方法。以两性霉素B纳米盘为例,逐步描述了该实验方案。
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本文介绍了含有纳米盘的生物活性物质的制备与表征方法。以两性霉素B纳米盘为例,逐步描述了该实验方案。
纳米盘(nanodisk)指的是一种由双层形成脂质、支架蛋白和整合的生物活性物质组成的离散型纳米颗粒。纳米盘的结构为盘状脂质双层,其周边由支架蛋白环绕,该蛋白通常属于可交换载脂蛋白家族。许多疏水性生物活性物质通过整合入颗粒脂质双层的疏水微环境中,已在纳米盘中实现高效增溶,从而产生直径在10–20 nm范围内、高度均一的颗粒群体。纳米盘的制备需要精确控制各组分的比例,按适当顺序依次加入各组分,随后对混合物进行水浴超声处理。两亲性支架蛋白会自发结合并重组分散的脂质双层/生物活性物质混合物,形成离散且均一的纳米盘 颗粒。在此过程中,反应混合物的外观从不透明、浑浊逐渐转变为澄清的溶液,在优化充分的情况下,经离心后不会产生任何沉淀。表征研究包括测定生物活性物质的增溶效率、电子显微镜分析、凝胶过滤色谱、紫外-可见(UV/Vis)吸收光谱和/或荧光光谱分析。随后通常还需利用培养细胞或小鼠进行生物学活性检测。对于携带抗生素(如大环内酯类多烯抗生素两性霉素B)的纳米盘,可测定其在不同浓度或时间条件下抑制酵母或真菌生长的能力。由于纳米盘制备简便、组分灵活、颗粒尺寸处于纳米级、本身具有稳定性且可在水相中溶解,因此适用于多种体外(in vitro)和体内(in vivo)应用。本文中,我们描述了一种通用的方法,用于制备和表征以两性霉素 B作为疏水性生物活性物质的纳米盘。
新生盘状高密度脂蛋白(HDL)是人体循环系统中更为丰富的球形HDL的天然前体。这些新生颗粒也被称为前β-HDL,具有独特而显著的结构特性1。事实上,新生HDL并非球形颗粒,而是呈盘状。对天然及重组盘状HDL的大量结构表征研究表明,它们由一层磷脂双分子层构成,其边缘由两亲性可交换载脂蛋白(apo)如apoA-I环绕。在人体脂蛋白代谢过程中,循环中的新生HDL从外周细胞摄取脂质,并在关键蛋白介质(包括ATP结合盒转运蛋白A1和卵磷脂:胆固醇酰基转移酶)的作用下成熟为球形HDL2。该过程是逆向胆固醇转运通路的关键组成部分,被认为对预防心脏病具有保护作用。基于这些认识以及重组盘状HDL的技术能力,研究人员已将这类颗粒用作治疗动脉粥样硬化的干预手段3。本质上,将重组HDL(rHDL)输注给患者可促进胆固醇从斑块沉积中流出,并将其运回肝脏转化为胆汁酸后排出体外。目前已有数家生物技术/制药公司正在推进这一治疗策略4。
与此同时,在实验室中制备这些颗粒的能力已引发大量研究活动,推动了新应用和新技术的发展。其中一个重要的应用是利用重组高密度脂蛋白(rHDL)颗粒作为微型膜结构,为跨膜蛋白提供类似天然的环境5迄今为止,已有数百种蛋白质被成功整合到盘状重组高密度脂蛋白(rHDL)中,研究表明这些蛋白质能够保持其天然构象和生物学活性,发挥受体、酶、转运蛋白等功能。这些颗粒被称为 "纳米盘",也已被证明适用于结构表征,通常能达到高分辨率6这种方法在跨膜蛋白研究中被认为优于使用去垢剂胶束或脂质体的研究,因此正迅速发展。需要认识到,已有两种不同的方法被报道可用于形成重组高密度脂蛋白(rHDL)。 "胆酸透析" 方法13 因其适用于将跨膜蛋白整合到rHDL双分子层中而广受欢迎5该方法的核心在于将形成双分子层的磷脂、支架蛋白以及目标跨膜蛋白与含有胆酸钠(或脱氧胆酸钠;胶束分子量 [MW] 为 4,200 Da)的缓冲液混合。该去垢剂能有效溶解反应中的各组分,使样品可透析至不含去垢剂的缓冲液中。在透析过程中,随着去垢剂从样品中被去除,重组高密度脂蛋白(rHDL)会自发形成。当此方法用于包埋目标跨膜蛋白时,所获得的颗粒被称为纳米盘(nanodiscs)5. 尝试使用该方法来包载小分子疏水性生物活性物质(MW <1,000 Da)则大多不成功。与跨膜蛋白不同,小分子生物活性物质会随着去垢剂一同从透析袋中逸出,从而显著降低其在重组高密度脂蛋白(rHDLs)中的包封效率。该问题通过在配方混合物中省去除去垢剂得以解决。14。相反,各组分被依次加入水相缓冲液中,首先加入形成双层结构的脂质,从而形成含有生物活性物质的稳定重组高密度脂蛋白,称为纳米盘(nanodisk)。其他研究者已利用重组高密度脂蛋白(rHDL)来包载和运输 体内 成像剂7最近,由载脂蛋白支架和阴离子甘油磷脂心磷脂组成的专业化重组高密度脂蛋白(rHDL)已被用于配体结合研究。这些颗粒为研究心磷脂与多种水溶性配体(包括钙离子、细胞色素c和抗癌药物阿霉素)之间的相互作用提供了平台。8.
本研究的重点在于制备能够稳定掺入疏水性生物活性物质(即纳米盘)的重组高密度脂蛋白(rHDL)。这些物质有效整合至盘状rHDL颗粒的脂质环境的能力,使其具备水溶性。因此,纳米盘具有以下潜力 在体内 治疗应用。在制备纳米盘时,需要特定的孵育/反应条件,才能成功地将特定疏水性生物活性物质掺入最终颗粒中;本报告旨在提供详细的实用信息,可作为针对特定应用开发新型纳米盘颗粒的基础模板。因此,在本论文中,“nanodisc”与“nanodisk”这两个术语不可互换。其中,nanodisc指的是一种重组高密度脂蛋白(rHDL),其脂质双分子层中嵌入有跨膜蛋白5,纳米盘是指一种重组高密度脂蛋白(rHDL),其设计用于掺入低分子量(< 1,000 Da)的疏水性生物活性物质,如两性霉素B14.
获取合适支架蛋白的方法有多种。可从生产商处购买支架蛋白[例如载脂蛋白A-I(SRP4693)或载脂蛋白E4(A3234)],但成本可能成为限制因素。更优选的方法是在大肠杆菌(Escherichia coli)中表达重组支架蛋白。已有文献报道人载脂蛋白A-I9、载脂蛋白E410以及昆虫血淋巴蛋白载脂蛋白III(apolipophorin-III)11的表达方案。在本文所述实验中,使用了重组人载脂蛋白E4的N端(NT)结构域(氨基酸1-183)。编码人载脂蛋白E4-NT的核苷酸序列经合成后,插入至pET-22b(+)表达载体中,紧邻载体编码的pelB信号肽序列。该构建体可表达pelB信号肽与载脂蛋白E4-NT的融合蛋白。蛋白合成后,细菌pelB信号肽将新合成的蛋白导向周质空间,由信号肽酶切除pelB序列。最终获得的载脂蛋白E4-NT蛋白不含任何序列标签或尾部,可从细菌中释放并积累于培养基中11,12,从而简化后续纯化步骤。
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1. 支架蛋白组分的转化、表达与纯化
2. 含生物活性剂的纳米盘的配制
3. ampB-纳米盘样品的光谱分析
4. 酵母活力检测分析
注意:进行酵母活力检测是为了评估ampB的生物活性,并确定制剂过程或将其掺入纳米盘的过程是否影响其对酵母生长的抑制活性。
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生物活性物质纳米盘制剂制备过程
在所述的两性霉素B(ampB)-纳米盘制剂制备过程中,当样品外观由浑浊变为澄清时,即认为反应已完成(图1)。该变化表明纳米盘已形成,且生物活性物质已被溶解。许多生物活性物质在可见光波长范围内具有吸光性(例如ampB、姜黄素、叶黄素、辅酶Q10),在此类情况下,样品会呈现该生物活性物质的颜色。一旦样品澄清完成(通常需5–20分钟水浴超声处理),将样品转移至1.7 ml微量离心管中,在11,000 × g 条件下离心5分钟,以沉淀不溶性物质。若无可见沉淀物,可作为有力证据表明生物活性物质已成功包载于纳米盘中;反之,若出现沉淀物,则表明生物活性物质部分或完全未被包载。如有必要或有助于分析,可平行制备仅含双层形成脂质和支架蛋白的对照制剂,并通过肉眼观察或使用分光光度计进行定量比较,评估两种样品的澄清程度。无论何种情况,在含有生物活性物质的纳米盘样品完成离心后,均需将其对磷酸盐缓冲液(PBS)或其他适当缓冲液进行透析,以去除残留溶剂。
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含有生物活性成分的纳米盘制剂提供 了一种便捷的方法,用于增溶原本不溶的疏水性化合物。由于成品生物活性成分纳米盘在水相介质中完全可溶,因此为多种疏水性分子提供了有效的递送方式(表1)。这些分子包括小分子、天然和合成药物、植物营养素、激素等。该制剂策略通常遵循标准操作流程,且必须考虑生物活性成分在有机溶剂中的溶解特性。除了选择合适的有机溶剂以溶解生物活性成分外,还需满足两个额外参数:制备浓度约为20 mg/mL的储备液,并确保该溶剂与水溶液具有良好的混溶性。这是必要的,因为它能够在不引入过量有机溶剂的前提下,向制剂混合物中加入足量的生物活性成分。混溶性至关重要,因为若发生相分离,将阻碍生物活性成分掺入最终的纳米盘产品中。
在选定的缓冲液中,于双层形成性磷脂分散后立即引入生物活性试剂,可使这些组分在添加支架蛋白之前相互作用。在添加支架蛋白之前以及刚添加之后,样品呈现为不透明的悬浮液。然而,当三种组分(磷脂、生物活性试剂和支架蛋白,按5/1/2的质量比)均加入,并在适当温度下进行足够时间的水浴超声处理后,样品外观会从浑浊变为澄清。如果生物活性试剂...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究工作获得了美国国立卫生研究院资助(R37 HL-64159)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 两性霉素B | Cayman Chemical Company | 11636 | ND制剂 &和标准制备 |
| 氨苄青霉素 | Fisher Scientific | BP17925 | 转化 &扩增与扩增 |
| ApoE4-NT 质粒 | GenScript | N/A | 转化 |
| 带挡板锥形瓶 | 新不伦瑞克科学公司 | N/A | 扩增 &与表达 |
| BL21 感受态大肠杆菌 | New England Biolabs | C2527I | 转化 |
| 离心管 | Nalgene | 3140-0250 | 表达 |
| 氯仿 | Fisher Scientific | G607-4 | ND制剂 |
| DMSO | Sigma Aldrich | 472301 | 标准制备 |
| 二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱 | Avanti Lipids | 850345P | ND配方 |
| 锥形瓶 | Bellco Biotechnology | N/A | 扩增 &和表达 |
| Falcon 管 | Sarstedt Ag & 公司 | D51588 | 酵母活力检测 |
| 玻璃硼硅酸盐管 | VWR | 47729-570 | ND制剂 |
| GraphPad(软件) | Dotmatics | N/A | 酵母活力检测 |
| 加热超声波清洗浴 | VWR | N/A | ND配方 |
| 加热与氮气模块 | 赛默飞世尔科技 | TS-18822 | ND 配方 |
| HiTrap Heparin HP(5 mL) | GE Healthcare | 17-0407-03 | 纯化 |
| 异丙基 βD-1-硫代半乳糖吡喃糖苷 | Fisher Scientific | BP1755 | 表达 |
| J-25 离心机 | 贝克曼库尔特 | J325-IM-2 | 表达 |
| JA-14 转子 | 贝克曼库尔特 | 339247 | 表达 |
| 冻干机 | Labconco | 7755030 | ND制剂 |
| 甲醇 | Fisher Scientific | A452-4 | ND制剂 |
| 氮气 | 普莱克斯 | UN1066 | ND配方 |
| NZCYM 培养基 | RPI 研究产品 | N7200-1000.0 | 扩增 &与表达 |
| Pet-22B 载体 | GenScript | N/A | 转化 |
| 培养皿 | Fisher Scientific | FB0875718 | 转化 &扩增与扩增 |
| 石英比色皿 | Fisher Brand | 14385 928A | 光谱分析 |
| 摇床培养箱 | 新不伦瑞克科学公司 | M1344-0004 | 转化、扩增 &与表达 |
| Slide-A-Lyzer 浮标 | 赛默飞世尔科技 | 66430 | 纯化 |
| SnakeSkin 透析管 | 赛默飞世尔科技 | 68100 | 纯化 |
| SnakeSkin透析管 | 赛默飞世尔科技 | 88243 | 纯化 |
| 氯化钠 | Fisher Scientific | S271 | 纯化 |
| 磷酸氢二钠 | Fisher Scientific | S374-500 | 纯化 |
| 磷酸二氢钠 | Fisher Scientific | BP329-500 | 纯化 |
| Spectra/POR 加权封口器 | Spectrum Medical Industries | 132736 | 纯化 |
| 分光光度计 | 岛津 UV-1800 | 220-92961-01 | 光谱分析 |
| 台式离心机 | 贝克曼库尔特 | 366816 | ND 配方 |
| UVProbe 2.61(软件) | 岛津 | N/A | 光谱分析 |
| 真空过滤器 | 默克密理博 | 9004-70-0 | 表达 &纯化 |
| 真空泵 | GAST 制造公司 | DOA-P704-AA | 表达 &纯化 |
| 涡旋混合 | Fisher Scientific | 12-812 | ND 配方 |
| 酵母 | N/A | BY4741 | 酵母活力检测 |
| 酵母提取物-蛋白胨-葡萄糖 | BD | 242820 | 酵母活力检测 |
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