Auto-assemblaggio di membrane lipidiche ibride drogate con molecole organiche idrofobiche presso l'interfaccia acqua/aria
1 maggio 2020
Reportiamo un protocollo per la produzione di una membrana lipidica ibrida all'interfaccia acqua/aria doping il bistrato lipidico con molecole di rame (II) 2,9,16,23-tetra-tert-butil-29H,31H-ftatocianina (CuPc). La membrana lipidica ibrida risultante ha una struttura sandwich lipidica/ CuPc / lipidica. Questo protocollo può anche essere applicato alla formazione di altri nanomateriali funzionali.
Il nostro protocollo dimostra un metodo semplice per fabbricare membrane lipidiche ibride drogate di molecole organiche. La proprietà stabile dell'aria della membrana può estendere l'applicazione della struttura del doppio strato lipidico ai dispositivi allo stato solido. Usiamo un processo di auto-assemblaggio per formare membrane lipidiche ibride con uno spessore di diversi nanometri.
Questo protocollo è semplice e facile da seguire e non richiede attrezzature complicate. Questo metodo può essere utilizzato per fabbricare altre stesse membrane lipidiche bioibride e può essere facilmente adottato sia per sensori che per altri dispositivi di rilevamento. Lavorando in una scatola di guanti anaerobica, sciogliere la ftatocianina di rame in cloroformio all'interno di una fiala di vetro lavata per preparare una soluzione di 10 milligrammi per soluzione di ftatocianina di rame millilitro.
Filtrare la soluzione attraverso una membrana PTFE da 0,2 micrometri. Mescolare la soluzione DPHPC con un miscelatore a vortice a 2.300 giri/min per 10 secondi. Quindi sciacquare una microsiringa di vetro con cloroformio cinque volte e utilizzarla per trasferire 200 microlitri della soluzione in una fiala di vetro pre-lavata.
Evaporare il solvente nel flaconcino con un flusso delicato di azoto. Risciacquare un'altra microsiringa di vetro con cloroformio, quindi utilizzarla per aggiungere 200, 2,6 microlitri di cloroformio alla fiala di vetro con DPHPC. Aggiungere 47,4 microlitri della soluzione di stock di ftatocianina di rame filtrata nella soluzione DPHPC, che dovrebbe comportare un rapporto molare di 10 a un DPHPC con ftatocianina.
Utilizzare un'altra siringa pulita per aggiungere 250 microlitri di esano alla soluzione. Quindi mescolarlo con un mixer a vortice a 2.300 giri/min per 10 secondi. Filtrare la soluzione preparata attraverso una membrana PTFE da 0,2 micrometri.
Tagliare tre per tre centimetri di substrati di silicio da un wafer di silicio. Quindi pulirli in un bagno ad ultrasuoni per 10 minuti in acqua purificata, seguita da etanolo, e poi cloroformio. Trattare i substrati con plasma di ossigeno per cinque minuti per rimuovere i materiali organici adsorbiti dalla superficie e per migliorare l'idrofilia.
Lavare un becher PTFE con acqua purificata che scorre per tre minuti. Quindi mettere il substrato di silicio pulito nel becher inclinato con un piccolo angolo. Versare una quantità sufficiente di acqua purificata nel becher fino a quando l'intero substrato di silicio non viene sommerso.
Togliere la soluzione ibrida preparata dal congelatore e consentirgli di riscaldarsi a temperatura ambiente. Quindi mescolarlo con un miscelatore a vortice a 2.300 giri/min per 15 secondi. Utilizzare una microsiringa da 50 microlitri risciacquata per far cadere da tre a cinque microlitri della soluzione ibrida sulla superficie dell'acqua formando una membrana lipidica ibrida galleggiante.
Per trasferire la membrana sul substrato di silicio, evaporare il solvente organico e pompare l'acqua dal becher con una pompa peristaltica ad una velocità di tre millilitri al minuto. Al termine del processo di trasferimento, posizionare il substrato di silicio su un tergicristallo della camera pulita e lasciare evaporare tutta l'acqua residua. La membrana lipidica ibrida as formata ha un colore azzurro uniforme a causa della presenza di molecole di ftatocianina di rame e un'area di diversi centimetri quadrati.
Qui sono mostrate immagini di microscopia confocale e immagini di microscopia a forza atomica della membrana su un substrato di silicio. Nell'immagine AFM, la membrana in alto a sinistra è spessa con uno spessore di 79,4 nanometri, e quella in basso a destra è sottile con uno spessore di 4,9 nanometri. La membrana sottile mostra una rugosità superficiale di 0,4 nanometri, che è vicina a quella del substrato di silicio pulito.
L'analisi a raggi X dispersiva di energia è stata utilizzata per indagare ulteriormente la composizione della membrana ibrida sul substrato di silicio. I rapporti atomici degli elementi rappresentativi, come rame, fosforo, azoto e carbonio sono rispettivamente 0,33, 0,97, 4,06 e 68,56%. Il rapporto molare teorico tra rame, fosforo, azoto, e carbonio dovrebbe essere uno, a tre, a 11, a 192, che è vicino al rapporto elemento misurato nella membrana ibrida, indicando che il rapporto tra i lipidi e le molecole di ftatocianina di rame viene mantenuto dopo i processi di formazione e trasferimento del film.
Doping le membrane lipidiche con altri nanomateriali, come nanoparticelle di grafene o mentolo, le membrane nanoibride con varie funzioni possono essere facilmente formate.
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Panoramica
Questo articolo presenta un protocollo per la fabbricazione di membrane lipidiche ibride drogate con rame (II) ftalocianina (CuPc) all'interfaccia acqua/aria. Il metodo utilizza un processo di autoassemblaggio per creare una struttura a sandwich lipide/CuPc/lipide, migliorando la stabilità e l'applicazione dei bicati lipidici in dispositivi allo stato solido.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Biophysica
- Scienza dei materiali
- Nanotecnologia
Sfondo
- I membrane lipidiche ibride combinano molecole organiche con bicatocchi lipidici.
- Il ftalocianuro di rame è noto per la sua stabilità e le sue proprietà elettroniche.
- Le membrane lipidiche tradizionali presentano limitazioni nelle applicazioni allo stato solido.
- Le tecniche di autoassemblaggio sono fondamentali per la fabbricazione di nanomateriali.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo semplice per la creazione di membrane lipidiche ibride.
- Esplorare le possibili applicazioni di queste membrane in sensori e dispositivi.
- Dimostrare la facilità del protocollo per i ricercatori.
Metodi Utilizzati
- Sciogliere il CuPc in cloroformio per preparare una soluzione madre.
- Utilizzare un processo di autoassemblaggio all'interfaccia acqua/aria.
- Produrre membrane con uno spessore di alcuni nanometri.
- Eseguire esperimenti all'interno di una camera anaerobica.
Risultati principali
- Le membrane lipidiche ibride presentano stabilità all'aria.
- Il protocollo è semplice e non richiede attrezzature complesse.
- Le membrane possono essere utilizzate in diverse applicazioni di rilevamento.
- Il metodo è adattabile per la creazione di altre membrane lipidiche bioibride.
Conclusioni
- Il protocollo sviluppato facilita la produzione di membrane ibride funzionali.
- Queste membrane hanno potenziali applicazioni in dispositivi allo stato solido.
- La semplicità del metodo incoraggia un uso più diffuso nella ricerca.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questo protocollo consente la creazione di membrane lipidiche ibride stabili drogate con nanomateriali organici, offrendo un approccio scalabile per funzionalizzare i bicchieri lipidici in piattaforme di biosensing allo stato solido. Integrando molecole idrofobiche come il ftalocianuro di rame negli assemblaggi lipidici, il metodo supporta la validazione precoce degli obiettivi e lo sviluppo di saggi mediante proprietà della membrana regolabili. La natura stabile all'aria e trasferibile di queste membrane facilita l'integrazione nei flussi di lavoro dei dispositivi, riducendo il rischio biologico negli screening preclinici e permettendo una valutazione riproducibile dei composti.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi delle interazioni tra lipidi e nanomateriali per chiarire i meccanismi di perturbazione della membrana e di ripartizione dei composti.
- Valore operativo: Fornisce un processo riproducibile di autoassemblaggio basato su solvente, che richiede soltanto attrezzature di laboratorio standard come siringhe, agitatori vortex e flussi di azoto.
- Valore predittivo: Supporta la riduzione del rischio meccanicistica permettendo un drogaggio controllato delle membrane lipidiche per modellare l'affinità tra composti e lipidi e le variazioni della fluidità della membrana.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera membrane ibride quantificabili con spessore (4–80 nm) e composizione regolabili, consentendo letture standardizzate per saggi associati alle membrane.
- Valore operativo: Produce film stabili all'aria trasferibili su substrati di silicio, permettendo un'integrazione diretta con sistemi di rilevamento ottici, elettronici o basati su AFM.
- Scalabilità: Il protocollo produce membrane uniformi su diverse centinaia di centimetri quadrati, supportando schermature parallele e il riutilizzo della piattaforma in diversi progetti.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità Translazionale: Mantiene i rapporti molari lipidi-droga dopo il trasferimento, garantendo una composizione di membrana costante per modelli preclinici affidabili.
- Allineamento dei Biomarcatori: Permette l'incorporazione di nanomateriali fluorescenti o elettroattivi come biomarcatori traslazionali nello studio dell'integrità della membrana o della risposta ai farmaci.
- Avanzamento Basato sul Rischio: Consente una valutazione precoce degli effetti dei nanomateriali sulla stabilità del doppio strato, supportando decisioni di avanzamento o interruzione nell'ottimizzazione dei composti promettenti.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questo metodo si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla validazione iniziale della proteina bersaglio allo sviluppo del saggio fino allo screening preclinico, in particolare per bersagli che coinvolgono interazioni con membrane o composti che modulano i lipidi.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi su come i composti idrofobici si distribuiscano all'interno o alterino la struttura e la dinamica dei bicchieri lipidici.
- Screening: Fornisce membrane pronte per i saggi, riproducibili, con spessore e uniformità quantificabili, adatte alla valutazione di librerie di composti.
- Analisi: Permette la verifica della composizione mediante analisi X a dispersione di energia, confermando il mantenimento dei dopanti e l'integrità lipidica dopo l'assemblaggio.
- Ricerca traslazionale: Favorisce la continuità dalla fase di scoperta al lavoro preclinico producendo membrane stabili e trasferibili, adatte all'integrazione in dispositivi.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma modulare per drogare membrane lipidiche con nanomateriali diversi (ad esempio, grafene, nanoparticelle di mentolo) al fine di generare biosensori multifunzionali.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nelle interazioni con le membrane consentendo un incorporamento controllato e quantificabile di nanomateriali.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e riproducibilità attraverso un protocollo semplice, che richiede poche attrezzature, adatto all'adozione in più laboratori.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale consentendo una riduzione precoce dei rischi associati a composti attivi sulle membrane, riducendo l'abbandono in fasi avanzate.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione dei composti in base alla stabilità della membrana e ai profili di ripartizione tra composto e lipidi, adeguata al rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella manipolazione dei lipidi, nell'evaporazione dei solventi e nelle tecniche di autoassemblaggio all'interfaccia.
- Richiede l'accesso a camere anaerobiche, flussi di azoto, agitatori vortex e sistemi di filtrazione in PTFE.
- Necessita della standardizzazione della pulizia del substrato (acqua, etanolo, cloroformio, plasma di ossigeno) e della preparazione delle soluzioni per garantire coerenza tra i diversi lotti.
- L'adattamento ad altri nanomateriali richiede l'ottimizzazione della solubilità, dei rapporti molari e della compatibilità dei solventi.
- I limiti pratici includono la sensibilità all'umidità durante il trasferimento e la necessità di condizioni in camera bianca per evitare contaminazioni del substrato.
