Assemblierung von zellimitierenden unterstützten und suspendierten Lipiddoppelschichtmodellen zur Untersuchung molekularer Wechselwirkungen

Summary

Dieses Protokoll beschreibt die Bildung von Zell-imitierenden Uni-Lipid- und Multi-Lipid-Vesikeln, unterstützten Lipiddoppelschichten und suspendierten Lipiddoppelschichten. Diese In-vitro-Modelle können angepasst werden, um eine Vielzahl von Lipidtypen zu integrieren und können verwendet werden, um verschiedene Molekül- und Makromolekül-Interaktionen zu untersuchen.

Abstract

Modellzellmembranen sind ein nützliches Screening-Tool mit Anwendungen, die von der frühen Wirkstoffentdeckung bis hin zu Toxizitätsstudien reichen. Die Zellmembran ist eine entscheidende Schutzbarriere für alle Zelltypen, die die internen zellularen Komponenten von der extrazellulären Umgebung trennt. Diese Membranen bestehen größtenteils aus einer Lipiddoppelschicht, die äußere hydrophile Kopfgruppen und innere hydrophobe Schwanzgruppen sowie verschiedene Proteine und Cholesterin enthält. Die Zusammensetzung und Struktur der Lipide selbst spielen eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der biologischen Funktion, einschließlich der Wechselwirkungen zwischen Zellen und der zellulären Mikroumgebung, die Arzneimittel, biologische Toxine und Umweltgifte enthalten kann. In dieser Studie werden Methoden zur Formulierung von Ein-Lipid- und Multi-Lipid-gestützten und suspendierten Zell-imitierenden Lipiddoppelschichten beschrieben. Zuvor wurden Ein-Lipid-Phosphatidylcholin (PC)-Lipiddoppelschichten sowie Multi-Lipid-Plazenta-Trophoblast-inspirierte Lipiddoppelschichten für das Verständnis molekularer Wechselwirkungen entwickelt. Hier werden Methoden zur Erreichung beider Arten von Doppelschichtmodellen vorgestellt. Für zellnachahmende Multilipid-Doppelschichten wird die gewünschte Lipidzusammensetzung zunächst durch Lipidextraktion aus Primärzellen oder Zelllinien bestimmt, gefolgt von der Flüssigkeitschromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS). Unter Verwendung dieser Zusammensetzung werden Lipidvesikel unter Verwendung eines Dünnschichthydratations- und Extrusionsverfahrens hergestellt und ihr hydrodynamischer Durchmesser und ihr Zetapotential charakterisiert. Gestützte und suspendierte Lipiddoppelschichten können dann unter Verwendung einer Quarzkristallmikrowage mit Dissipationsüberwachung (QCM-D) und auf einer porösen Membran zur Verwendung in einem parallelen künstlichen Membranpermeabilitätsassay (PAMPA) gebildet werden. Die repräsentativen Ergebnisse unterstreichen die Reproduzierbarkeit und Vielseitigkeit von In-vitro-Zellmembran-Lipid-Doppelschichtmodellen. Die vorgestellten Methoden können bei der schnellen, einfachen Bewertung der Interaktionsmechanismen wie Permeation, Adsorption und Einbettung verschiedener Moleküle und Makromoleküle mit einer Zellmembran helfen, beim Screening von Arzneimittelkandidaten und der Vorhersage potenzieller zellulärer Toxizität helfen.

Introduction

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 der^{Membran 1,2}. Zum Beispiel sind Zellmembraninteraktionen wichtig für eine effektive Arzneimittelabgabe³. Pharmazeutika, Biologika, Nanomaterialien,....

Protocol

1. Entwicklung von Uni-Lipid-Vesikeln

1. Dünnschicht-Hydratationsmethode
   1. Herstellung und Lagerung von Lipidstocklösungen
      HINWEIS: Alle Schritte mit Chloroform müssen in einem chemischen Abzug durchgeführt werden. Chloroform sollte immer mit lösungsmittelsicheren Kohlefaserpipettenspitzen pipettiert werden. Lösungen, die Chloroform enthalten, sollten immer in Glasfläschchen gelagert werden.
      1. Bereiten Sie eine 10 mg/ml Lipidstocklösung vor, indem Sie das entsprechende Volumen Chloroform in die Durchstechflasche geben, die das Lipidpulver enthält, und gut mischen. Fügen Sie beispielsweise 20 ml Chloroform zu 200 mg L-α-Phosphatidylcholin (Ei, Huh....

Discussion

Dieses Protokoll ermöglicht die Bildung von Lipidvesikeln, unterstützten Lipiddoppelschichten und suspendierten Lipiddoppelschichten. Hier werden kritische Schritte vorgestellt, um jede dieser Strukturen zu bilden. Bei der Bildung von Lipidvesikeln ist es wichtig, oberhalb der Sprungtemperatur des Lipids³⁹zu extrudieren. Wenn unterhalb der Übergangstemperatur das Lipid physisch in seiner geordneten Gelphase³⁹vorhanden ist. In dieser geordneten Phase sind die Kohlenwasser.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
1-palmitoyl-2-oleoyl-glycero-3-phosphocholine  (POPC, 16:0-18:1 PC)	Avanti Polar Lipids	850457
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (sodium salt) (POPS, 16:0-18:1 PS)	Avanti Polar Lipids	840034
1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (16:0-18:1 PE)	Avanti Polar Lipids	850757
1,2-dioleoyl-sn-glycero-2-phospho-L-serine (DOPS, 18:1 PS)	Avanti Polar Lipids	840035
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC, 18:1 (Δ9-Cis) PC)	Avanti Polar Lipids	850375
1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine (DOPE, 18:1 (Δ9-Cis) PE)	Avanti Polar Lipids	850725
1,2-distearoyl-sn-glycero-3-ethylphosphocholine (chloride salt) (18:0 EPC (Cl Salt))	Avanti Polar Lipids	890703
3 mL Luer-Loc syringes	BD	309657
40 mL sample vial, amber with polytetrafluoroethylene (PTFE)/rubber liner	Duran Wheaton Kimble	W224605
Acetonitrile	Sigma-Aldrich	271004
Alconox	Fisher Scientific	50-821-781
Ammonium formate	Millipore Sigma	LSAC70221
C18, 3.5 um x 50 mm column, SunFire	Waters	186002551
Chloroform	Millipore Sigma	LSAC288306
Cuvette UV Micro LCH 8.5 mm, 50 um, RPK	Sarstedt	67.758.001
Di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP)	Millipore Sigma	36735
Dimethyl sulfoxide (DMSO)	Millipore Sigma	LSAC472301
Ethanol	Pharmco	111000200
Filter supports, 10 mm	Avanti Polar Lipids	610014	Size for mini extruder
Folded capillary zeta cell	Malvern Panalytical	DTS1070
Isopropanol	Sigma-Aldrich	190764-4L
Kimwipes	Kimberly Clark	34256
L-α-phosphatidylinositol (soy) (Soy PI)	Avanti Polar Lipids	840044
L-α-phosphitidylcholine (Egg, Chicken)	Avanti Polar Lipids	840051
LiposoFast ® LF-50	Avestin, Inc.
Methanol	Sigma-Aldrich	179337 - 4L
Mini-extruder set with holder/heating block	Avanti Polar Lipids	610000
MultiScreen-IP Filter Plate, 0.45 µm, clear, sterile	Millipore Sigma	MAIPS4510	for PAMPA studies
Nitrogen gas, ultrapure	TechAir	NI T5.0
Nuclepore hydrophilic membranes, polycarbonate, 19 mm, 0.1 um	Whatman	800309	Size for mini extruder
Nuclepore hydrophilic membranes, polycarbonate, 25 mm, 0.1 um	Whatman	110605	Size for large extruder
Parafilm	Bemis	PM999
Phosphate buffer saline (PBS), 10x	Genesee Scienfitic	25-507X	Dilute to 1x
Qsoft 401 software	Biolin Scientific
Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Q-Sense Analyzer	Biolin Scientific
Scintillation vials, borosilicate glass vials, 20 mL	Duran Wheaton Kimble	986561
Silicon Dioxide, thin QSensors	Biolin Scientific	QSX 303
Sodium chloride (NaCl)	Millipore Sigma	LSACS5886
Sodium dodecyl sulfate (SDS)	Fisher Scientific	BP166-100
Solvent Safe pipette tips	Sigma-Aldrich	S8064
Sphingomyelin (Egg, Chicken)	Avanti Polar Lipids	860061
Trizma base	Millipore Sigma	LSACT1503
Trypsin-ethylenediaminetretaacetic acid	Caisson Labs	TRL01-6X100ML
Whatman drain disc, 25 mm	Whatman	230600	Size for large extruder
Zetasizer ZS90	Malvern Panalytical
Zetasizer 7.01 software	Malvern Panalytical