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Os métodos para a produção de GUVs podem ser divididos em dois grupos principais: métodos baseados no inchamento de substratos por meio de hidratação e aqueles baseados na montagem de interfaces de fluidos. Os métodos do primeiro grupo são muito eficientes em fornecer grandes populações de GUV para caracterizações biofísicas de membranas lipídicas ou proteínas transmembranares. Em contraste, métodos como a transferência de gotículas são escolhidos principalmente para encapsulamento de carga devido ao consumo reduzido de cargas e maior eficiência de encapsulamento18.
Por esse motivo, uma infinidade de cargas diferentes foi encapsulada em GUVs, tornando a transferência de gotículas um processo de referência para células artificiais 3,8,9,10 e uma possível solução para a construção de novos microrrobôs biomiméticos 11,12. Para modular as propriedades físico-químicas das membranas GUV, diferentes moléculas podem ser incluídas, como fosfolipídios iônicos10, ácidos graxos19, polímeros como PEG20 ou colesterol21 (embora moléculas hidrofóbicas como o colesterol tenham alta afinidade pelo óleo, resultando em um menor controle da composição da membrana em relação aos métodos de inchaço22). O protocolo é versátil o suficiente para permitir essas modificações, mas algumas etapas têm um impacto maior do que outras.
Para discutir as criticidades do método, descrevemos aqui um protocolo para a preparação de duas populações diferentes de GUVs: uma preparação de GUVs contendo uma solução de sacarose e uma preparação de GUVs encapsulando micropartículas. As diferenças no protocolo estão detalhadas na Tabela 1 como condição E (vazia) e condição P (com partículas). Este método permite a formação de GUVs transferindo gotículas de água de uma fase oleosa para uma fase aquosa em um processo biestável impulsionado por fosfolipídios23 e influenciado pelas propriedades físico-químicas de todas as três fases envolvidas: IS, OS e LS.
Dentre os três, o LS é o mais sensível devido à suscetibilidade dos fosfolipídios à luz, oxidação e hidrólise 24,25,26. Por esse motivo, a etapa inicial de evaporação do solvente orgânico usado para armazenamento de longo prazo de fosfolipídios a -20 ° C (normalmente clorofórmio ou metanol) deve ser realizada em frascos âmbar sob fluxo de nitrogênio ou argônio. Se baixos níveis de umidade não forem garantidos no ambiente de laboratório, os fosfolipídios podem ser danificados13, 14, 27. Portanto, o LS deve ser preparado em um ambiente confinado, como um porta-luvas ou a câmara de luvas modificada de baixo custo descrita neste protocolo. Uma vez que o óleo é adicionado ao filme lipídico, o LS pode ser removido da câmara das luvas, e a dissolução completa dos fosfolipídios é realizada por vórtice e aquecimento da solução.
Embora alguns protocolos incluam sonicação nesta etapa13, aumentos localizados na temperatura podem levar a danos ainda não descritos para algumas formulações de LS. Por esse motivo, o aquecimento da solução em banho-maria pode proporcionar um processo mais bem controlado e homogêneo. Para reduzir ainda mais as chances de danificar o LS, este protocolo sugere o uso de duas temperaturas diferentes: uma vez que a dissolução de um LS recém-preparado requer maior energia do que um LS previamente dissolvido (devido a um empacotamento mais denso de moléculas de fosfolipídios no filme espalhado na superfície do frasco de vidro), 80 ° C é adotado para a primeira dissolução do filme lipídico e 50 ° C para simplesmente dissolver os fosfolipídios antes de seu uso. Como geralmente é observado um aumento na variabilidade de desempenho ao longo do tempo para 3,18 mM DOPC em óleo mineral (Figura 4C), o uso de LS dentro de uma semana é uma prática geralmente recomendada. No entanto, algumas combinações de óleo e fosfolipídios podem ter vida útil prolongada, e o uso de uma câmara de luvas também parece melhorar a estabilidade do LS ao longo do tempo.
A personalização das membranas GUV com combinações específicas de fosfolipídios pode exigir implementações personalizadas do protocolo. Para navegar entre todas as variações possíveis, pode-se obter orientação das propriedades físico-químicas do LS. As concentrações micelares críticas (CMC) e a difusividade dos fosfolipídios no LS são influenciadas pelas interações químicas com as moléculas em solução28. A formação de gotículas de água na emulsão IS/LS é, portanto, influenciada pela rapidez com que os fosfolipídios podem se difundir na fase oleosa e atingir as interfaces água/óleo para formar uma monocamada estável (o folheto interno da membrana). Diferenças na difusividade foram observadas para os dois óleos explorados neste protocolo, com o óleo de silicone AR20 proporcionando maior estabilidade da emulsão IS/LS (Figura 6). Como a emulsão mais estável para ambos os óleos foi observada quando a água foi dispersa em uma proporção de 2,5% (de acordo com observações anteriores no óleo mineral13), fixamos isso como uma proporção geralmente válida.
No entanto, como proporções mais altas podem fornecer recursos úteis (por exemplo, POPC em óleo mineral mostrou uma mudança para GUVsmaiores 13), recomendamos a execução de um teste qualitativo preliminar como o relatado na Figura 6 para obter informações sobre a estabilidade da emulsão e, portanto, a eficiência esperada do encapsulamento. Aqui, aconselhamos os leitores a não confiar em tempos precisos ou iterações de procedimentos para a formação da emulsão, pois a eficácia depende estritamente do operador ou do instrumento adotado. Em vez disso, fornecemos um ponto de verificação para ajudar o operador a entender quando a qualidade da emulsão é boa o suficiente para - pelo menos teoricamente - maximizar as chances de converter gotículas em GUVs. A difusividade dos fosfolipídios no óleo também influencia sua capacidade de se reorganizar durante a transferência de gotículas e formar o folheto externo da membrana GUV 2,7,18,29. Esta etapa é favorecida por um equilíbrio adequado da interface LS/OS. Embora o tempo de incubação adotado por este protocolo esteja de acordo com as recomendações gerais18, com medições de tensão interfacial de relatórios anteriores7 e nossos experimentos preliminares, GUVs preparados com diferentes LS podem se beneficiar de um tempo de incubação mais longo.
A formação do folheto externo também é influenciada pela velocidade das gotículas de água que atravessam a interface LS/OS, etapa ligada à densidade e viscosidade das três fases30. As diferenças de densidade devem sempre seguir a ordem: IS > OS > LS. Isso é essencial para permitir primeiro a sedimentação de gotículas de IS em direção à interface LS/OS, depois o cruzamento da interface para conversão em GUVs e sua sedimentação em direção ao fundo do tubo. Embora o processo possa ocorrer espontaneamente mesmo quando a água deionizada é usada como IS e OS23, uma diferença de densidade entre IS e OS foi introduzida para favorecer a formação de GUV31. O par mais comum para esse fim é a sacarose no IS e a glicose no OS: em concentrações equiosmolares necessárias para evitar danos aos GUVs formadores devido ao estresse osmótico, a sacarose fornece uma solução mais densa do que a glicose. Como a diferença de densidade aumenta com a osmolaridade dessas soluções, o rendimento dos GUVs varia de acordo, sem nenhuma melhoria adicional observada além de 600 mOsm13.
As condições ideais de centrifugação estão intimamente ligadas à densidade e viscosidade das três fases e à difusividade dos fosfolipídios. Na ausência de uma caracterização completa das três fases, várias condições devem ser rastreadas. A partir de testes qualitativos (Figura 4E e Figura 5) e análise sistemática preliminar17, foi possível definir boas condições de centrifugação para as duas amostras descritas neste protocolo; No entanto, a qualidade das amostras está aberta a melhorias se mais condições forem examinadas. Quando o equilíbrio entre a difusividade dos fosfolipídios no LS e a densidade e viscosidade das três fases não é mantido adequadamente, os fosfolipídios não têm tempo suficiente para se equilibrar na interface LS / OS e se reorganizar corretamente à medida que as gotículas de água se movem em direção ao OS. Isso geralmente leva à formação de um precipitado esbranquiçado na interface ou logo abaixo dela, provavelmente consistindo de fosfolipídios e outras moléculas da fase oleosa arrastadas por gotículas que não se reúnem em GUVs durante a centrifugação.
O encapsulamento de uma solução homogênea pode ser impulsionado pelo aumento da densidade do IS, preservando um equilíbrio osmótico com o OS (como para o par sacarose-glicose), mas o encapsulamento de uma dispersão de micropartículas requer que a densidade da fase aquosa corresponda à das micropartículas32. A eficiência do encapsulamento da carga também é afetada pela composição química da solução/dispersão da carga. Relatórios anteriores mostraram um efeito negativo no rendimento de GUV causado por muitos haletos de metais alcalinos33 ou variações de pH13, provavelmente devido a interações ou mudanças na carga líquida de cabeças hidrofílicas zwitteriônicas de fosfolipídios. Portanto, o encapsulamento de reações biológicas (como síntese enzimática ou de proteínas livres de células) geralmente requer um compromisso, pois as concentrações de pH e sal (como KCl ou NaCl) devem ser ajustadas a níveis abaixo do ideal para a própria reação. No entanto, mesmo misturas de reações complexas, como a síntese de proteínas livres de células, podem ser modificadas para fornecer células artificiais funcionais baseadas em GUV34.
Do ponto de vista prático, embora o método de transferência de gotículas ofereça um processo muito simples, a recuperação de GUVs do sistema operacional pode apresentar algumas limitações. Para ajudar a remover o óleo da fase superior após a etapa de centrifugação, é possível explorar duas pontas de pipeta para uma remoção mais fina (etapa do protocolo 3.1.1) ou um frasco de Buchner para remoção mais rápida quando várias amostras são preparadas (etapa do protocolo 3.1.2). No entanto, como o óleo não é completamente removido, é necessário realizar uma etapa de lavagem para obter uma dispersão GUV limpa (etapa 3.2 do protocolo). Embora as etapas de lavagem resultem na remoção efetiva de gotículas de óleo residual sem perda apreciável de GUVs (Figura 4A, B), essa passagem pode ser menos simples com óleo altamente viscoso e pode ser muito demorada quando várias formulações de GUV estão sendo preparadas. Um método alternativo foi descrito para contornar a remoção do óleo e recuperar o GUV do fundo do tubo através de um orifício perfurado com o auxílio de uma agulha35. Este processo, no entanto, pode não permitir uma recuperação completa do pellet GUV se o tubo não for perfurado na posição adequada e, além disso, for potencialmente prejudicial ao operador.
Para ajudar na recuperação do GUV, apresentamos aqui uma abordagem nova e simples para remover rapidamente a fase oleosa. Isso se baseia em prender a fase oleosa superior e menos densa em uma ponteira de pipeta tampada para que, após a centrifugação, a ponteira possa ser removida de forma que nenhum fluido escorra. Essa estratégia simples permite uma remoção rápida e fácil de toda a fase oleosa de uma só vez, simplificando consistentemente essa etapa demorada.
Para avaliar a eficiência do protocolo, alguns métodos foram implementados para a detecção automática de GUVs para acelerar a contagem e a análise da distribuição de tamanho. A marcação de GUVs com sondas fluorescentes fornece uma estratégia simples e eficaz aplicada à citometria de fluxo36,37 e à imagem microscópica combinada com algoritmos de detecção de círculo 13,37,38,39. Mais recentemente, ferramentas baseadas em IA para detecção de objetos estão sendo exploradas para melhorar esse processo40,41. No entanto, os corantes fluorescentes podem afetar potencialmente as propriedades do GUV, introduzindo artefatos na análise. Se excluir o sinal fluorescente detectável, a microscopia continua sendo a opção mais confiável, sendo a microscopia de contraste de fase o método preferido para visualização ideal18 e aplicação de algoritmos de detecção de círculo38.
Alternativamente, é possível explorar propriedades peculiares de formulações específicas para estratégias de detecção exclusivas. Hadorn et al., por exemplo, aproveitaram a presença de eletrólitos no SI para detectar GUVs com um contador de células baseado em impedância33. Quando nenhum desses métodos automatizados ou específicos da formulação é viável, a anotação manual do círculo continua sendo um fallback universalmente aplicável. Nesses casos, o ImageJ oferece uma ferramenta prática para acelerar o processo e extrair facilmente as medições do diâmetro bruto, conforme descrito neste protocolo.
Apesar da ampla adoção do método de transferência de gotículas, pouca atenção é dedicada aos processos de otimização necessários para novas formulações de GUV. Neste trabalho, reunimos as informações disponíveis na literatura para implementar um protocolo sistemático para orientar e simplificar essa otimização. Este guia prático considera os princípios subjacentes envolvidos na produção de novas formulações de GUV e na recuperação de uma amostra minimamente contaminada com óleo, um aspecto frequentemente negligenciado do protocolo13,14. Embora não seja possível prever a otimização que qualquer formulação de GUV exige, este guia fornece dicas e insights úteis para acelerar a implementação de novos GUVs, potencialmente levando a aplicações que incluem células artificiais e microrrobôs.