囊泡
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-19
囊泡的實例教程
圖5所示的TEM圖片表明金納米顆粒選擇性地生長在非對稱冠囊泡的內部，表明PDEA僅分布于非對稱冠囊泡的內部空腔；而在對照組對稱冠囊泡中，金納米顆粒在其內部和外部隨機生長，表明PDEA分布于對稱冠囊泡的內冠和外冠。
圖5. 完全非對稱冠囊泡和對稱冠囊泡載金前后的TEM表征
（2）完全非對稱冠囊泡在載金前后的表面電勢均為負值
完全非對稱冠囊泡在載金前后的表面電勢分別為 -8 mV和 -6 mV，無明顯改變。這表明帶有正電荷的PDEA僅分布在非對稱冠囊泡的內部，而PEO則始終分布在非對稱冠囊泡的外部，具有電荷屏蔽作用。因此，載金前后非對稱冠囊泡的表面電勢基本不變；而在對稱冠囊泡中，載金前后的表面電勢分別為+23 mV 和 +14 mV，表明納米金的原位負載消耗了對稱冠囊泡外冠PDEA鏈段的部分正電荷，因此其表面電勢隨之降低（圖6B）。
（3）完全非對稱冠囊泡在載金前后具有較大的尺寸變化率
完全非對稱冠囊泡的尺寸在原位載金后減小了18%。這是因為納米金在PDEA內冠上的原位生長，消耗了其所帶正電荷，導致PDEA內冠之間相互排斥作用減弱，非對稱冠囊泡的粒徑隨之減小；而在對稱冠囊泡中，PDEA在內冠和外冠中均有分布，納米金的原位生長對其內部斥力的降低影響較小，故其尺寸變化率僅為4%（圖6C）。
圖6. 完全非對稱冠囊泡和對稱冠囊泡載金前后的表面電勢及尺寸變化
上述非對稱冠囊泡（25 °C，pH 4.0）在逐步調節pH至生理環境時（pH 7.4），PDEA內冠因親水性降低而轉變為內壁。這種由生理環境變化引起的形貌轉變有望精確調控藥物控釋行為。
展開 基于此，河南大學研究團隊設計開發了一組具有不同彈性的高分子囊泡，用于比較其穿越血腦屏障（BBB）及靶向腦腫瘤細胞能力的差異。研究發現，彈性較小的囊泡具有更高的BBB穿透能力、更多的細胞攝取、更強的腫瘤滲透及富集。
研究人員首先利用不同的交聯劑對兩嵌段聚合物PEG-P(PFPMA)自組裝形成的囊泡疏水中間層進行交聯。在不改變囊泡結構的條件下，獲得一組大小、電荷相同的高分子囊泡。因囊泡內部交聯劑的不同，表現出不同的彈性。研究人員通過動態學模擬計算證明，高分子囊泡的彈性與交聯劑的剛性密切相關。最后，在囊泡表面修飾腦腫瘤靶向肽，比較不同彈性高分子囊泡的腦腫瘤靶向能力。
不同彈性的囊泡顯示出不同的細胞攝入能力。彈性大的囊泡被腫瘤細胞攝入較少，而彈性較小的囊泡則能更多的進入細胞。同時，體外的BBB穿透模型也顯示，彈性較小的囊泡具有更強的BBB穿透能力。為了比較不同彈性的囊泡在腫瘤組織內部的滲透能力，研究人員采用體外腫瘤球模型，比較不同彈性的囊泡在腫瘤球中的滲透深度。發現彈性小的囊泡滲透更深，有更強的腫瘤滲透能力。結合已有研究推斷，在彈性較小的情況下，囊泡形變能力較弱，有更多的靶向分子能夠與細胞膜表面受體結合，從而顯示出較強的細胞攝入能力。
同時，研究人員采用腦腫瘤原位荷瘤小鼠模型比較了該系列囊泡的體內腫瘤積累能力，發現在體內綜合因素的影響下，彈性較小的囊泡由于具有更強BBB穿透及細胞攝入與腫瘤滲透，在腦部積累更多。
該研究探究了不同彈性的聚合物囊泡對腦腫瘤靶向差異的影響，可為后續腦部疾病的納米載體設計提供參考。
展開 囊泡在水中運動及變形過程仿真 ￥800
通過對囊泡的研究，可加深人們對生物膜的認識，也為人們的仿生研究提供了一條新的途徑。囊泡的另一個重要的應用是作為藥物的載體。與其它微結構相比，囊泡具有奇特的結構，即存在親水微區和疏水微區，這使得囊泡具有同時運載水溶藥物和水不溶藥物的能力。同時，囊泡具有雙層膜結構，與生物膜有很好的兼容性，是理想的體內藥物的載體。由于分子進出囊泡需要較長的時間，利用這一特性，近年來，人們研究用囊泡作為<a href="https://baike.baidu.com/item/%E7%BC%93%E9%87%8A%E5%89%82" rel="noopener noreferrer" target="_blank">緩釋劑</a>，以更好地發揮藥效。</p><p>本案例基于流-固耦合方法，模擬了囊泡在水中的運動過程，囊泡由壁面固體結構和內部水分子（水溶液）組成為復合的生物膜結構。仿真結構如圖所示：</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/202109/288cc3ea85db4cf8b49f0a6e68749039.gif" alt="Untitled.gif"></p><p>感興趣的朋友可下載模型，了解整個模擬過程。</p><p><br></p>
展開 針對上述難題，同濟大學杜建忠教授團隊構建了一種兼具抗菌和祛除活性氧(ROS)功能的高分子囊泡，實現了糖尿病潰瘍的快速愈合，為解決糖尿病傷口愈合緩慢、反復感染、易惡化成潰瘍等問題提供了新思路。
研究思路如圖1所示。首先，設計并制備了一種生物相容性好、易降解的高分子材料，在自組裝形成囊泡的同時，包載廣譜抗生素，然后在囊泡表面原位沉積氧化鈰納米顆粒。一方面，該囊泡可緩釋抗生素實現持久殺菌；另一方面，氧化鈰納米顆粒具有類似超氧化物歧化酶的功能，可祛除傷口部位的過量活性氧，緩解氧化應激。該“雙管齊下”的抗氧化-抗菌聯合療法可促進糖尿病傷口的快速愈合。
圖1. 兼具抗菌、祛活性氧功能的高分子囊泡設計思路及“雙管齊下”治療糖尿病潰瘍示意圖
該工作的亮點在于：
1）開發了一種簡便方法來制備超細、超分散的二氧化鈰納米酶。該方法不需要高溫、高壓、表面活性劑，可在水相中直接將氧化鈰納米顆粒原位沉積到囊泡表面。負載了抗生素（如環丙沙星）和納米酶（氧化鈰納米顆粒）的囊泡，具有優異的穩定性（如圖2所示），可持續發揮抗菌和祛活性氧的功能。
圖2.負載超細氧化鈰納米顆粒的囊泡的結構表征和穩定性測試
2）由于抗生素和二氧化鈰納米顆粒的協同抗菌作用，使得該囊泡具有更強的抗菌性能，可使抗生素劑量減少25-50%，從而降低了誘導抗生素耐藥的風險。
展開 復旦大學聶志鴻教授及合作者利用具有不同尺寸組合的兩親性嵌段共聚物接枝金納米粒子（AuNPs）研究了二元兩親性納米粒子（NPAMs）在溶液中的囊泡自組裝中的宏觀膠體分離。隨著相對尺寸及濃度的的變化，二元NPAMs可以自組裝為具有不同結構形貌，如均勻結構（HVs）、斑塊結構（PVs）和單一或多卵黃/殼結構（s-YSVs或m-YSVs）的雜化囊泡。NPAMs發生偏析時可能被包圍在囊泡的膜內或出現在膜外，而偏析的動力來源于內接枝共聚物配體的構象熵的增加。此外，本工作提出了具有卵黃結構的均一囊泡的形成機理，即囊泡融合/出芽機理。
通過將不同尺寸、形狀及組成的無機納米粒子（NPs）與有機組裝體混合，可以獲得功能性復合納米結構，這些結構賦予了其在功能性材料開發方面的潛在價值。而在無機NPs上進行聚合物接枝可以形成兩親性納米粒子（NPAMs），類似于兩親性分子，可以自組裝成豐富的雜化納米結構，是一類具有吸引力的下一代功能性納米復合物的構建單元。但由于NPAMs的尺寸大得多且具有較復雜的形狀，其自組裝行為在熱力學和動力學上都與兩親性分子有所不同。人們對NPAMs的自組裝行為的理解還不充分，尤其是對NPAM混合物在溶液中的宏觀相分離尚未有研究。
本文亮點
1. 彌補了在NPAMs自組裝行為方面的研究的空缺。
2. 提出卵黃/殼結構的囊泡的形成是涉及NPAMs的重新組織的多步驟過程。其中，其囊泡膜的融合和出芽至關重要。
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關鍵詞：GROMACS；小分子；自組裝；分子動力學；回轉半徑
背景介紹
小分子自組裝過程廣泛存在于材料、生命與能源體系中，其微觀機理關乎膠束/囊泡形成、層狀有序相的出現以及功能納米結構的穩定性。相比僅觀察宏觀現象，分子動力學（MD）能在原子尺度直接揭示小分子的自組裝機理，直觀體現其自組裝過程，從而為藥物，納米材料設計提供理論依據。
細菌是諸多感染性疾病的病原體，細菌通過外膜囊泡進行細菌個體之間及細菌與宿主細胞之間的通訊。酶分子作為細菌外膜囊泡釋放的重要信號分子，在細菌感染及抗生素分解過程中扮演著重要角色。為了破解細菌感染的本質及細菌耐藥性的原因，人們盼望能搞清楚
細菌外膜囊泡釋放酶分子的規律
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需要仔細研究多個長度尺度，包括細胞內水平（不同的囊泡分泌特定的蛋白質）、前體蛋白質集中的腺體組織并受到各種微環境（pH值、離子強度等）、條件和/或機械應力，以及沉積過程中的組織水平。
此外，為了以具有成本效益、高效和可持續的制造方式提供下一代生物聚合物，生物加工方法還需要巧妙地將高通量篩選平臺與使用先進微型反應器進行過程優化的自動化互連起來。
不同類型的基于生物膜的系統，包括細胞膜囊泡、細菌來源的外膜囊泡和細胞外囊泡（例如外泌體），已被用于治療性mRNA的體外和體內遞送。
外泌體（Exosome）作為一種納米級的細胞外囊泡，已被廣泛研究為藥物遞送載體。例如，Codiak BioSciences已經啟動了一種工程外泌體療法的人體試驗——exoSTING，用于實體瘤治療。
通過結合肌動蛋白驅動的外部“踏車運動”和通過囊泡運輸的肌動蛋白結合跨膜蛋白的內部循環，細胞可以實現持續的劃水。
作者首先通過干涉顯微鏡觀察評估淋巴細胞在粘附和抗粘附涂層的基底上的運動情況，實驗顯示在沒有粘連的情況下，極化的淋巴細胞可以在二維表面上遷移。甚至發現細胞在粘附表面和非粘附表面上存在相同的運動現象。
近年來，課題組圍繞基于細胞膜囊泡的人工細胞的構筑和應用開展研究工作，建立了基于細胞膜囊泡的新型細胞仿生模型（Research, 2019, 6523970），結合DNA納米技術對細胞膜囊泡進行功化設計與改造（J. Am.Chem. Soc., 2017, 139, 12410-12413）獲得易于操控的人工細胞，實現了人工細胞對外界環境變化的動態響應與反饋（J. Am. Chem.
該團隊選擇具有分子手性的陽離子α-聚-L-賴氨酸(PLL)和油酸陰離子(OL)，在水溶液中通過靜電組裝得到交聯的囊泡，通過離心并施加溫和的機械壓力，得到了層狀堆積的固體膜材料。PLL和OL上的富電子基團(羧基，酰胺和氨基)的聚集產出了CTE熒光，從囊泡到薄膜，該熒光由波長依賴變為了非波長依賴，預示了空間規則排布的形成。
通過對囊泡的研究，可加深人們對生物膜的認識，也為人們的仿生研究提供了一條新的途徑。囊泡的另一個重要的應用是作為藥物的載體。與其它微結構相比，囊泡具有奇特的結構，即存在親水微區和疏水微區，這使得囊泡具有同時運載水溶藥物和水不溶藥物的能力。同時，囊泡具有雙層膜結構，與生物膜有很好的兼容性，是理想的體內藥物的載體。
因囊泡內部交聯劑的不同，表現出不同的彈性。研究人員通過動態學模擬計算證明，高分子囊泡的彈性與交聯劑的剛性密切相關。最后，在囊泡表面修飾腦腫瘤靶向肽，比較不同彈性高分子囊泡的腦腫瘤靶向能力。
不同彈性的囊泡顯示出不同的細胞攝入能力。彈性大的囊泡被腫瘤細胞攝入較少，而彈性較小的囊泡則能更多的進入細胞。
在此基礎上，研究人員通過合理設計得到了聚氨基酸囊泡，該聚合物囊泡在活性氧作用下構象由β折疊轉變為α螺旋，進而降低膜的厚度，并重構氫鍵和相行為，從而在保留囊泡完整性的同時增強其膜通透性，實現了小分子和大分子物質的特異性跨膜轉運。
