Die Zellmembran, die hauptsächlich aus Phospholipiden, Cholesterin und Proteinen besteht, ist ein entscheidender Bestandteil aller lebenden Zellen1. Mit einer durch Lipidamphiphilie getriebenen Organisation fungiert die Zellmembran als Schutzbarriere und reguliert, wie die Zelle mit ihrer Umgebung interagiert2. Mehrere zelluläre Prozesse sind abhängig von der Lipid- und Proteinzusammensetzung derMembran 1,2. Zum Beispiel sind Zellmembraninteraktionen wichtig für eine effektive Arzneimittelabgabe3. Pharmazeutika, Biologika, Nanomaterialien, biologische Toxine und Umweltgifte können die Integrität einer Zellmembran beeinflussen und dadurch die Zellfunktion beeinträchtigen4. Die Konstruktion von In-vitro-Zell-imitierenden Membranmodellen, die auf der Lipidzusammensetzung von Zellmembranen basieren, hat das Potenzial, einfache Werkzeuge bereitzustellen, um die Untersuchung der möglichen Auswirkungen dieser Materialien auf Zellen erheblich zu verbessern.
Modell-Lipiddoppelschichten umfassen Lipidvesikel, unterstützte Lipiddoppelschichten und suspendierte Lipiddoppelschichten. Unterstützte Lipiddoppelschichten sind ein Modell der Phospholipidzellmembran, die üblicherweise in biotechnologischen Anwendungen verwendet wird, bei denen Lipidvesikel auf einem trägern Substratmaterial5,6,7,8,9 gerissenwerden. Eine gängige Technik zur Überwachung der Doppelschichtbildung ist die Quarzkristallmikrowaage mit Dissipationsüberwachung (QCM-D), die die Adsorption von Vesikeln im Vergleich zu den Flüssigeneigenschaften in situuntersucht 8,10,11,12,13,14 . Zuvor wurde QCM-D verwendet, um zu zeigen, dass unter Strömungsbedingungen, sobald eine kritische Vesikelabdeckung von Phosphatidylcholin (PC) Lipidvesikeln auf der Oberfläche erreicht ist, sie spontan in starre Lipiddoppelschichten15aufbrechen. Frühere Arbeiten haben auch die unterstützte Lipiddoppelschichtbildung mit unterschiedlichen Lipidzusammensetzungen16,den Einbau von Lipidproteinen17,18,19und die Verwendung von Polymerkissen20untersucht, wodurch unterstützte Lipiddoppelschichten entstehen, die verschiedene Aspekte der Zellmembranfunktion nachahmen können.
Lipiddoppelschichten wurden verwendet, um verschiedene biologische Barrieren von subzellulären bis hin zu Organebenen nachzuahmen, einschließlich Mitochondrium, roten Blutkörperchen und Leberzellmembranen, indem die Phospholipid-, Cholesterin- und Glykolipidkomponenten verändert wurden21. Diese komplexeren Multilipidvesikel können je nach Lipidzusammensetzung zusätzliche Methoden erfordern, um eine Vesikelruptur zu erreichen. Zum Beispiel haben frühere Studien ein α-helikales (AH) Peptid verwendet, das vom nichtstrukturellen Protein 5A des Hepatitis-C-Virus abgeleitet ist, um die Doppelschichtbildung durch Destabilisierung der adsorbierten Lipidvesikel zu induzieren22,23. Unter Verwendung dieses AH-Peptids wurden zuvor unterstützte Lipiddoppelschichten gebildet, die Plazentazellen nachahmen24. Das große Potenzial unterstützter Lipiddoppelschichten für biomedizinische Anwendungen wurde mit Untersuchungen gezeigt, die den molekularen und Nanopartikeltransport25,26, umwelttoxische Wechselwirkungen27, Proteinaufbau und -funktion17,18,19, Peptidanordnung und -insertion28,29, Arzneimittelscreening30und mikrofluidische Plattformen31umfassen.
Suspendierte Lipiddoppelschichten wurden für pharmazeutische Screening-Studien über einen parallelen künstlichen Membranpermeabilitätstest (PAMPA) verwendet, bei dem eine Lipiddoppelschicht über einen porösen hydrophoben Einsatz32,33,34,35suspendiert ist. PAMPA-Lipidmodelle wurden für verschiedene biologische Grenzflächen entwickelt, einschließlich der Blut-Hirn-, bukkalen, intestinalen und transdermalen Grenzflächen36. Durch die Kombination sowohl der unterstützten Lipiddoppelschicht als auch der PAMPA-Techniken können Adsorption, Permeabilität und Einbettung von Verbindungen in Lipidkomponenten eines gewünschten Gewebes oder Zelltyps gründlich untersucht werden.
Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und Anwendung von In-vitro-Zellmembran-Lipiddoppelschichtmodellen zur Untersuchung verschiedener molekularer Wechselwirkungen. Die Herstellung von sowohl Uni-Lipid- als auch Multi-Lipid-gestützten und suspendierten Lipiddoppelschichten wird detailliert beschrieben. Um eine unterstützte Lipiddoppelschicht zu bilden, werden Lipidvesikel zunächst unter Verwendung von Dünnschichthydratations- und Extrusionsmethoden entwickelt, gefolgt von einer physikalisch-chemischen Charakterisierung. Die Bildung einer unterstützten Lipiddoppelschicht unter Verwendung von QCM-D-Überwachung und Herstellung von suspendierten Lipidmembranen für den Einsatz in PAMPA wird diskutiert. Schließlich werden Multilipidvesikel für die Entwicklung komplexerer zellimitierender Membranen untersucht. Unter Verwendung beider Arten von hergestellten Lipidmembranen zeigt dieses Protokoll, wie dieses Werkzeug zur Untersuchung molekularer Wechselwirkungen verwendet werden kann. Insgesamt konstruiert diese Technik zellnachahmende Lipiddoppelschichten mit hoher Reproduzierbarkeit und Vielseitigkeit.