[论文解读] Design and applications of a fluorescent labeling technique for lipid and surfactant preformed vesicles

Fanny Mousseau, Jean‐François Berret+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2019

Lipid Membrane Structure and Behavior被引用 4

一句话总结

本文提出了一种简单、通用的荧光标记技术，用于预先形成的脂质和表面活性剂囊泡，采用亲脂性羰花青染料PKH67，该染料可自发嵌入囊泡膜中，无需纯化或分离步骤。该方法实现了对囊泡与活细胞膜及固体表面相互作用的实时可视化，已在药物递送和织物柔顺剂应用中得到验证，具有高特异性和最小的样品扰动。

ABSTRACT

Amphiphilic molecules such as surfactants, lipids and block copolymers can be assembled into bilayers and form vesicles. Fluorescent membrane labeling methods require the use of dye molecules that can be inserted in the bilayers at different stages of the synthesis. To our knowledge there is no generalized method for labeling preformed vesicles. Herein we develop a versatile protocol that is suitable to both surfactant and lipid preformed vesicles and requires no separation or purification steps. Based on the lipophilic carbocyanine green dye PKH67, the methodology is assessed on zwitterionic phosphatidylcholine vesicles. To demonstrate its versatility, it is applied to dispersions of anionic or cationic vesicles, such as a drug administrated to premature infants with respiratory distress syndrome, or a vesicle formulation used as a fabric softener for homecare applications. By means of fluorescence microscopy we then visualize the interaction mechanisms of nanoparticles crossing live cell membranes and of surfactant adsorbing on cotton fabric. These results highlight the advantages of a membrane labeling technique that is simple and applicable to a large number of soft matter systems.

研究动机与目标

• 开发一种适用于预先形成囊泡的通用荧光标记方法，避免分离或纯化步骤。
• 实现在复杂软物质系统（包括生物和工业配方）中囊泡动态行为的可视化。
• 在多种囊泡类型（包括两性离子型、阴离子型和阳离子型）中验证该技术的适用性。
• 在新生儿药物递送和织物柔顺剂等生物和工业相关场景中展示其适用性。
• 提供一种稳健、可扩展的标记方案，与荧光显微镜兼容，实现对实时过程的观察。

提出的方法

• 使用亲脂性羰花青绿染料PKH67，其可自发分配至脂质和表面活性剂双分子层中。
• 直接将PKH67添加至预先形成的囊泡分散液中，无需事先纯化或分离。
• 在受控条件下孵育，以促进染料在膜双分子层内的平衡分配。
• 利用荧光显微镜监测标记囊泡在活细胞膜转位和表面吸附实验中的行为。
• 将该标记方案应用于不同表面电荷（两性离子型、阴离子型、阳离子型）的囊泡，以测试其通用性。
• 通过形态学和荧光分析验证标记效率以及对囊泡完整性的最小干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否开发一种适用于预先形成囊泡的通用荧光标记方法，且无需纯化或分离步骤？
• RQ2 PKH67在不同表面电荷的囊泡（包括阴离子型和阳离子型系统）中是否具有高效的标记效果？
• RQ3 该标记技术在生物和工业环境中在多大程度上保持了囊泡的完整性和功能？
• RQ4 标记后的囊泡是否可用于实时可视化其与活细胞膜及固体表面的相互作用？
• RQ5 该方法在不同软物质系统（包括药物递送和家用护理配方）中的适用范围如何？

主要发现

• PKH67标记方法成功实现了对两性离子型、阴离子型和阳离子型预先形成囊泡的标记，且无需纯化或分离步骤。
• 荧光显微镜证实了标记的高效性和稳定性，实现了对囊泡与活细胞膜相互作用的实时可视化。
• 该技术实现了对纳米颗粒跨细胞膜转位过程的直接观测，揭示了内吞和非内吞途径。
• 标记的表面活性剂囊泡被证实可有效吸附至棉质织物上，展示了其在家用护理应用中的实用性。
• 通过一致的荧光强度和粒径分布，证实了该方法对囊泡形态和功能的保持能力。
• 该标记方案已在多个系统中得到验证，包括新生儿呼吸窘迫综合征药物制剂和市售织物柔顺剂。