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自下而上构建人工细胞及其生物医学应用

集成技术 2024年第4期13卷 30-50页

作者：闫玉玲张敏鞠秀琴刘剑波湖南大学生物纳米与分子工程湖南省重点实验室长沙410082 湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室长沙410082

构建具有特定细胞模拟功能的人工细胞有助于探索天然生物细胞系统中复杂的生物反应过程和细胞功能,并为深入了解生命起源提供便利。对于人工细胞的构建方法而言,无论是基于自上而下的原则,还是基于自下而上的原则,在过去的几十年里,都... 详细信息

构建具有特定细胞模拟功能的人工细胞有助于探索天然生物细胞系统中复杂的生物反应过程和细胞功能,并为深入了解生命起源提供便利。对于人工细胞的构建方法而言,无论是基于自上而下的原则,还是基于自下而上的原则,在过去的几十年里,都取得了很大进展,并得到广泛应用。基于人工细胞构建策略的不同,人工细胞可分为“自上而下”的人工细胞和“自下而上”的人工细胞。自下而上的合成生物学是一个新兴的互补学科,它寻求从天然或合成成分中构建人工细胞。自下而上的合成生物学的目标之一是构建或模拟天然生物细胞中存在的复杂路径。人工细胞来源于脂质、聚合物、脂质/聚合物杂化体、天然细胞膜、金属有机框架和凝聚体等。真实细胞内各种物质如蛋白质、基因、线粒体等可以结合在人工细胞表面或包裹在人工细胞内部,从而使人工细胞被赋予各种功能。此外,人工细胞不仅可作为载药系统及信息交流载体,还可代替功能受损的细胞,恢复机体的正常运转。首先,介绍基于自下而上策略构建人工细胞的方法和分类;其次,讨论人工细胞的多种应用;最后,对人工细胞的未来发展前景进行展望。

关键词：人工细胞自下而上磷脂囊泡生物应用

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自下而上构筑人工细胞及其生物医学应用

集成技术 2024年

作者：闫玉玲张敏鞠秀琴刘剑波湖南大学生物纳米与分子工程湖南省重点实验室湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室

构建具有特定细胞模拟功能的人工细胞有助于探索天然生物细胞系统中复杂的生物反应过程和细胞功能，并为生命起源的深入了解提供便利。对于人工细胞的构建方法而言，无论是基于自上而下的原则，还是基于自下而上的原则，在过去的几十年... 详细信息

构建具有特定细胞模拟功能的人工细胞有助于探索天然生物细胞系统中复杂的生物反应过程和细胞功能，并为生命起源的深入了解提供便利。对于人工细胞的构建方法而言，无论是基于自上而下的原则，还是基于自下而上的原则，在过去的几十年里，都取得了很大的进展，并得到了广泛的应用。基于人工细胞构建策略的不同，人工细胞可分为“自上而下”的人工细胞和“自下而上”的人工细胞。自下而上的合成生物学是一个新兴的互补学科，它寻求从天然或合成成分中构建人工细胞。自下而上的合成生物学的目标之一是构建或模拟天然生物细胞中存在的复杂路径。人工细胞来源于脂质、聚合物、脂质/聚合物杂化体、天然细胞膜、金属-有机框架和凝聚体等。真实细胞内各种物质如蛋白质、基因、线粒体等可以结合在人工细胞表面或包裹在人工细胞内部，而使人工细胞被赋予各种功能。此外，人工细胞不仅可以作为载药系统及信息交流载体，还可以代替功能受损的细胞，恢复机体的正常运转。首先，该文介绍了基于自下而上策略构建人工细胞的方法和分类；其次，讨论了人工细胞的多种应用；最后，对人工细胞的未来发展前景进行了展望。

关键词：人工细胞自下而上磷脂囊泡生物应用

磷脂囊泡界面带电分子跨膜传输过程的探测与调控

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磷脂囊泡界面带电分子跨膜传输过程的探测与调控

中国化学会第十七届全国胶体与界面化学学术会议

作者：陈顺利侯易干为先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)理学院

探测天然小分子及人工合成的药物分子与磷脂囊泡界面的相互作用过程,对于阐释细胞膜的功能以及设计囊泡给药系统提供了重要基础,已成为新型化学药物制剂研究中的一个重要热点方向。本文利用具有单分子层敏感性的二次谐波技术,针对带电... 详细信息

探测天然小分子及人工合成的药物分子与磷脂囊泡界面的相互作用过程,对于阐释细胞膜的功能以及设计囊泡给药系统提供了重要基础,已成为新型化学药物制剂研究中的一个重要热点方向。本文利用具有单分子层敏感性的二次谐波技术,针对带电染料分子在单组份磷脂囊泡界面的吸附及传输动力学行为进行了实时原位的探测与调控研究。通过比对分析带电分子的吸收和释放过程的动力学特征及其离子强度依赖性,清晰的揭示了室温条件下水溶液中带电分子的被动跨膜输运属于表面翻转（数秒量级）和膜内迁移（数百秒至数千秒）的多步过程,其中膜内迁移为整个传输过程的决速步骤。随着囊泡外部环境溶液中离子强度逐渐增大至毫摩尔量级,膜内迁移过程显著加快。研究结果为调控囊泡表面带电分子的传输性能提供了一种简单易行的调控策略,即引入跨膜离子强度梯度。同时证实了平面型的孔雀绿染料分子（MG）和棒状的苯乙烯类染料分子（D289）,均主要以带电离子的形式参与跨膜传输,帮助澄清了关于带电分子被动跨膜传输的主要迁移形式是中性、离子对以及带电状态的争议。

关键词：磷脂囊泡二次谐波带电分子跨膜输运离子强度

来源： cnki会议评论

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乙醇脂质体局部给药系统的研究进展

中华皮肤科杂志 2011年第9期44卷 681-683页

作者：邢晓婧郝飞第三军医大学西南医院皮肤科重庆400038

皮肤科的多种疾病，例如，病原微生物感染皮肤毛囊、真皮、皮下组织、皮脂腺等处，多在皮肤深层。皮肤深层为局部给药系统的靶向作用部位，而覆盖于皮肤表面的角质层是给药系统渗透的主要屏障。传统的局部给药系统经角质层渗透率较低。... 详细信息

皮肤科的多种疾病，例如，病原微生物感染皮肤毛囊、真皮、皮下组织、皮脂腺等处，多在皮肤深层。皮肤深层为局部给药系统的靶向作用部位，而覆盖于皮肤表面的角质层是给药系统渗透的主要屏障。传统的局部给药系统经角质层渗透率较低。越来越多的研究表明，磷脂囊泡类给药系统可以增加药物经角质层的渗透率。

关键词：局部给药系统乙醇脂质体病原微生物感染磷脂囊泡皮肤科角质层渗透率皮肤毛囊

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淀粉样多肽hIAPP20-29自组装体为模板构建金属光热抗菌材料

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淀粉样多肽hIAPP20-29自组装体为模板构建金属光热抗菌材料

作者：徐蓉蓉江苏大学

学位级别：硕士

淀粉样蛋白是一类以β-sheet结构为主的不溶于人体环境的纤维蛋白。研究认为其与很多退行性疾病息息相关。然而,淀粉样蛋白不仅在疾病发病机理中发挥作用,也参与非疾病病理性事件,而且在信号传导,通信和记忆存储中也具有关键作用。它们... 详细信息

淀粉样蛋白是一类以β-sheet结构为主的不溶于人体环境的纤维蛋白。研究认为其与很多退行性疾病息息相关。然而,淀粉样蛋白不仅在疾病发病机理中发挥作用,也参与非疾病病理性事件,而且在信号传导,通信和记忆存储中也具有关键作用。它们对在正常生理水平维持生命基本活动起到至关重要的作用。例如荷尔蒙蛋白,curli蛋白,溶菌酶等在生物环境内发挥着不可替代的作用。淀粉样蛋白具备良好的生物相容性,免疫原性和发炎潜力较低的特性,在大多数生物学条件下,几乎不受环境的影响,并且通过化学修饰可以实现其特定的功能。因此,研究淀粉样蛋白为模板实现淀粉样蛋白功能化应用具有非常好的发展前景。人胰岛淀粉样蛋白20-29(hIAPP20-29)被认为是全序列中最关键的片段,也是最具成纤维能力的一段。因此,本文采用hIAPP20-29自组装聚集体为模板,研究其与细胞膜相互作用方式,并进一步合成了以hIAPP20-29自组装聚集体为模板的金属纳米纤维材料应用于光热杀菌。我们发现hIAPP20-29自组装聚集体能够穿插进入细胞膜层结构且不破坏其完整性,不释放其内容物。利用简单的还原法合成的纳米光热材料具备良好的光热转换能力。多肽自组装聚集体提供模板使金属纳米材料有序排布并吸附于细菌表面,最大程度地利用光热致使细菌死亡。具体研究内容如下:(1)分别利用中性,带正电,带负电的磷脂囊泡与hIAPP20-29不同自组装聚集体模拟多肽在体内与细胞膜的相互作用,联合使用石英晶体微天平(QCM),原子力显微镜(AFM),红外光谱(FI),动态光散射(DLS),荧光分光光度计(FL)等多项技术,从不同角度对多肽与磷脂膜的相互作用方式与机理进行研究和探索,并以此建立一整套蛋白与细胞膜相互作用研究的平台技术。实验发现,hIAPP20-29不仅可以与细胞膜相互作用,其作用的方式并非传统意义上的破坏膜层结构释放其内容物,而是聚集体穿插进入膜层结构,保持膜基本完整性,与膜具有较好的结合性质。(2)基于研究发现hIAPP20-29聚集体能够穿插进细胞膜膜层结构,本文以hIAPP20-29聚集体为模板,用Brust-Schiffrin法(硼氢化钠还原法)合成具有光热效果的金纳米纤维材料。对比无模板的金纳米材料,紫外分光光度计与透射电镜形貌表征显示淀粉样蛋白模板的材料性能良好,形貌可控;近红外光照射下光热效果优异;选择革兰氏阴性菌的代表大肠杆菌作为杀菌研究对象,结果显示有模板的金纳米纤维材料能够有效粘附于细菌表面,光热杀菌率达到百分百。(3)进一步用还原法合成hIAPP20-29聚集体为模板的银纳米纤维光热剂。通过近红外光热测试证明了所合成的银纳米纤维材料具备优越的光热转换性能,与细菌相互作用测试证明了所合成的银纳米纤维材料无光照时即可以与细菌进行紧密结合,以上研究可以大幅提高材料的光热治疗和光热杀菌效率。

关键词： hIAPP20-29 磷脂囊泡相互作用纳米抗菌材料光热杀菌

树状分子穿越细胞膜运动机理分子动力学模拟研究

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树状分子穿越细胞膜运动机理分子动力学模拟研究

作者：马娟北京理工大学

学位级别：硕士

树状分子是一种新型生物医用高分子材料,在药物运载、基因治疗等方面具有广阔应用前景。本文采用分子动力学的模拟方法,研究了不同因素对树状分子穿膜运动能力和携带纳米颗粒进入细胞行为的影响。此外,本文还提出通过囊泡包裹树状分子... 详细信息

树状分子是一种新型生物医用高分子材料,在药物运载、基因治疗等方面具有广阔应用前景。本文采用分子动力学的模拟方法,研究了不同因素对树状分子穿膜运动能力和携带纳米颗粒进入细胞行为的影响。此外,本文还提出通过囊泡包裹树状分子的形式,可在保证树状分子携带药物分子进入胞内情况下,降低树状分子对细胞膜的破坏作用。论文主要贡献如下:首先,本文应用全原子模型研究了树状分子浓度以及磷脂膜中胆固醇含量对于树状分子与磷脂膜相互作用的影响,以及树状分子携带带电纳米颗粒RNA进入细胞的能力。模拟结果阐明了树状分子穿膜运动的驱动力是树状分子与细胞膜间的静电相互作用。树状分子浓度通过影响树状分子与细胞膜接触区域的电场分布,从而显著影响树状分子的穿膜能力。另一方面,模拟结果显示胆固醇对保持磷脂膜完整性具有重要作用。其次,本文提出通过囊泡包裹树状分子的形式,可在保证树状分子携带药物分子进入胞内情况下,降低树状分子对细胞膜的破坏作用。通过构建不同模型,研究了磷脂膜曲率、离子浓度、膜张力大小等对包裹树状分子的磷脂囊泡膜与细胞膜融合过程的影响。囊泡膜与细胞膜接触后可通过磷脂膜融合的方式释放树状分子到胞内。通过该方式,包裹树状分子的囊泡膜融合到细胞膜上,不会在细胞膜上留下孔洞,从而降低树状分子的细胞毒性。最后,针对胆固醇对细胞膜功能的重要作用,本文研究了磷脂膜曲率对膜内胆固醇分布的影响。发现曲率影响胆固醇在磷脂膜上的分布,主要结果表现为胆固醇倾向于分布在曲率高的磷脂膜上。

关键词：树状分子磷脂膜磷脂囊泡胆固醇分子动力学

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基于膜融合的囊泡内凝聚体制备

基于膜融合的囊泡内凝聚体制备

作者：闫琳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

凝聚体是细胞中存在的无膜细胞器,也被用于模拟原始细胞。膜融合是细胞中普遍存在的过程,具有重要的生理功能。通过融合肽、电击穿以及静电相互作用均可实现磷脂囊泡的膜融合。本论文利用不同电性的囊泡通过静电相互作用使其发生膜融合... 详细信息

凝聚体是细胞中存在的无膜细胞器,也被用于模拟原始细胞。膜融合是细胞中普遍存在的过程,具有重要的生理功能。通过融合肽、电击穿以及静电相互作用均可实现磷脂囊泡的膜融合。本论文利用不同电性的囊泡通过静电相互作用使其发生膜融合,融合后两个腔室变成一个,导致各室的物质发生混合,在融合后的囊泡内部生成凝聚体。通过调节聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PDDA）与三磷酸腺苷（ATP）的浓度和比例,制备出不同尺寸的凝聚体。由ATP:PDDA=1:4（PDDA=80 m M）制备的凝聚体,尺寸较大便于观察可作为化学反应的隔室。由ATP:PDDA=1:16或1:2（PDDA=80m M）制备的凝聚体尺寸较小,可在囊泡内生成。凝聚体与带正电荷的囊泡发生静电相互作用,使囊泡在凝聚体内部聚集。进而在凝聚体内部实现了酶的级联反应:葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）的作用下生成过氧化氢,过氧化氢在辣根过氧化物酶（HRP）的作用下将Amplex Red氧化生成具有红色荧光的试卤灵分子。利用1,2-二月桂酰-sn-甘油-3-胆碱磷酸（DLPC）/二油酰基磷脂酰丝氨酸（DOPS）制备出巨型磷脂囊泡（Giant unilamellar vesicles,GUVs）。利用1,2-二油酰基磷脂酰胆（DOPC）/（2,3-二油酰基-丙基）-三甲胺（DOTAP）（1:X mg/mg）制备出小尺寸单层磷脂囊泡（Small unilaminar vesicles,SUVs）,其中DOTAP是带正电的磷脂。DOTAP的掺杂质量比例（DOTAP:DOPC）分别为0.1:1,0.15:1,0.35:1,1:1。发现在以上条件下,SUVs均可与GUVs发生膜融合。接下来拟在GUVs中载入ATP,SUVs中载入PDDA,通过囊泡融合在最终囊泡中制备凝聚体。由于新冠疫情后续无法返校完成相关实验。

关键词：静电相互作用凝聚体磷脂囊泡膜融合人工细胞器

融合引发的磷脂人造细胞内部酶催化反应及蛋白质表达

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融合引发的磷脂人造细胞内部酶催化反应及蛋白质表达

作者：赵晶晶哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

磷脂囊泡是由两亲性的磷脂分子在水相中自组装形成的球状结构,其结构与膜组分和细胞相接近,因此可被用作简单的细胞模型。磷脂囊泡可用于模拟细胞内的酶催化反应、蛋白质表达等代谢过程。磷脂囊泡融合可实现物质的跨膜运输,进而模拟细... 详细信息

磷脂囊泡是由两亲性的磷脂分子在水相中自组装形成的球状结构,其结构与膜组分和细胞相接近,因此可被用作简单的细胞模型。磷脂囊泡可用于模拟细胞内的酶催化反应、蛋白质表达等代谢过程。磷脂囊泡融合可实现物质的跨膜运输,进而模拟细胞间的信息交流。本论文基于巨型磷脂囊泡(GUVs)和大磷脂囊泡(LUVs)的融合,在磷脂囊泡内部实现了酶催化反应和蛋白质表达。本论文通过乳液法制备掺杂10 mass%正电荷磷脂的GUVs,其膜表面Zeta电位为25.43±0.87 m V;采用推泡法制备分别掺杂5 mass%、10 mass%、15mass%、20 mass%负电荷磷脂的LUVs,其膜表面Zeta电位分别为-5.46±1.24m V、-7.11±0.20 m V、-9.95±0.94 m V、-19.10±1.31 m V。两种囊泡溶液按体积比为1:1混合,通过静电相互作用二者可实现融合。结果表明,GUV内部荧光强度随着LUVs中负电荷磷脂的增加而增强,融合平衡时间随着LUVs中负电荷磷脂的增加而缩短。但LUV中负电荷磷脂的掺杂量太多会导致融合过程中GUVs不稳定,容易发生破裂。综合考虑,本论文采用掺杂10 mass%正电荷磷脂的GUVs和掺杂10 mass%负电荷磷脂的LUVs进行后续研究。在GUVs和LUVs融合基础上研究了两种酶催化反应。利用乳液法将葡萄糖氧化酶(GOx)、辣根过氧化物酶(HRP)和Amplex Red包封在正电荷GUVs内;利用推泡法将葡萄糖包封在负电荷LUVs内。两种囊泡融合后,葡萄糖经GOx催化生成HO,HO在HRP催化下将Amplex Red氧化生成试卤灵。另一个酶反应体系是利用乳液法将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)和6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PDH)包封在正电荷GUVs内;利用推泡法将6-磷酸葡萄糖(G6P)包封在负电荷LUVs内。两种磷脂囊泡融合后,实现了G6PDH催化G6P使NAD+生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)的反应。进一步利用囊泡融合作用,实现了GUV内部大肠杆菌绿色荧光蛋白(GFP)的表达。利用乳液法制备出内部载有大肠杆菌的正电荷GUVs;采用推泡法制备内部包有异丙基-β-D-硫代半乳糖苷(IPTG)分子的LUVs。在GUVs和LUVs融合后,IPTG分子进入载有大肠杆菌的GUVs内部,进而诱导大肠杆菌表达出GFP。

关键词：磷脂囊泡融合酶催化反应蛋白质表达大肠杆菌

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模拟细胞膜体系制备及应用

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