QCM-D技术今天是一个功能强大的分析工具,广泛用于研究生物现象。例如用于研究脂质膜接口和显示应用前景在制药药物开发和抗菌测试。在最近的一次网络研讨会,杰克曼教授、化学工程学院的副教授和转化韩国成均馆大学生物科学研究中心在韩国,分享了他的经验领域的使用QCM-D膜生物物理学。
有很多药物的令人兴奋的发展在过去的几十年里,杰克曼教授说。的一个主要领域药物技术开始看着薄膜沉积半导体、光电子学和OLED显示器。在这种原始格式,药物技术主要集中在看着的情况下沉积的薄膜索尔布雷方程可以从共振频率变化转换成纳米尺度薄膜的厚度通常用于真空沉积。在过去的几十年里,领导的开创性工作的Bengt Kasemo教授和他的研究小组在查尔姆斯理工大学的,有巨大的创新QCM-D技术,真正从药物转移QCM-D -石英晶体微量天平耗散监控,杰克曼教授说。
最大的进步之一就是开发药物仪器,你可以同时测量谐振频率变化,Δf,Δ和能量耗散的变化D在多种色彩。杰克曼教授说。这种类型的最强大的一个方面先进的药物技术是药物从真空沉积阶段延伸到软物质在生物应用,即。生物材料,更粘弹性性质和依赖,你会有一个寓意测量响应。QCM-D科技的力量是能够捕捉这些现象。能够应用不同类型的分析模型来分析数据已扩大使用QCM-D技术来研究各种类型的软物质,包括聚合物、生物材料、胶体和更多的系统,杰克曼教授说。
最先锋的论文相关QCM-D技术Kasemo教授早在1998年的论文(1,杰克曼教授说。在这项研究中,他们观察表面特定脂质吸附动力学在不同类型的表面,如亲水和疏水表面。QCM-D技术启用,独特的质量相比其他类型的传感装置,不仅是看表面的脂质吸附量,但如何脂质分子的特定属性,在这种情况下,脂质囊泡的形式,表面吸附,杰克曼教授解释道。
疏水涂层等表面金表面,你可以看到一个单层直接吸收。二氧化硅,囊泡吸收直到达到一个临界表面覆盖之前断开形成双分子层。在氧化金,另一方面,囊泡吸收而不破裂。真的这种组合同步的频率和损耗测量,允许歧视不仅脂质吸附的总质量和脂质吸附动力学,还什么是物理性质的表面上形成的脂质组件类型,杰克曼教授说。
最近,我的导师教授Nam-Joon曹然后在斯坦福大学扩展这项工作看泡和双层结构转换使用QCM-D技术研究中,例如,membrane-peptide互动(2,3]。这一直很强大,不仅学习基本的生物物理学vesicle-surface交互,而且学习更复杂的系统,如membrane-peptide交互,杰克曼教授说。
来构建这些令人兴奋的早期研究,我想举一个例子QCM-D技术如何使新的应用程序在生物技术和生物物理学领域,杰克曼教授还在继续。QCM-D已经应用的一个领域是在该地区的抗生素耐药性。这些天抗生素耐药性是一个巨大的全球性问题。过去一个世纪,抗生素彻底改变了卫生保健,但也有过度使用和抗生素耐药性问题正成为一个日益严重的健康威胁。这促使搜索抗菌材料,使用不同的机制比传统的抗生素。
一个领域,我们已经叫抗菌脂质特别感兴趣。在自然界发现的这些广泛,先天免疫系统的一部分。这些脂质例如皮肤和牛奶中发现的许多物种。抗菌脂质最有趣的一件事是,他们有广谱抗菌活性与包膜病毒和细菌。他们通过扰乱膜周围的病毒和细菌。如果你损害这些病毒和细菌的涂料,你损害他们的生物功能和抑制其致病性。在不同类型的抗菌脂质,我们感兴趣的是脂肪酸和单甘酯。典型的那些我们经常在这种学习模式系统包括月桂酸单甘酯。这些分子大小和分子量相对较相似,但他们有很不同的膜的相互作用,揭示了QCM-D技术第一次,杰克曼教授说。
在我们QCM-D研究细胞膜相互作用,预先知道的是这些类型的化合物有抗感染活性,杰克曼教授说。所以,例如,如果你与这些类型的化合物治疗细菌细胞,它们会导致膜溶解。他们也被证明有免疫调节活动,所以,如果你与这些化合物免疫细胞治疗,他们可能会导致结构性变化。然而,之前我们的研究有非常有限的交互机制的理解这些化合物是如何工作的。它往往是认为单甘酯和脂肪酸相同类型的膜破坏机制,和所有类型的抗菌脂质集中在一起的机械化。由于这种想法,很难追求抗菌脂质领域的创新,因为没有明确的基本原理在分子水平上为什么某些脂肪酸或单甘酯比其他的工作。我们看到当回顾文献在这方面还是需要开发新的测量策略实时交互分析,深入了解如何脂肪酸和单甘酯的分子机制破坏细胞膜,杰克曼教授说。
在我们的例子中,我们使用支持双层很感兴趣(SLB)平台,这是一个二维保形脂质双分子层涂层,可以外套某些类型的表面如二氧化硅表面,杰克曼教授说。这些模型的一个好处膜基于二维SLB平台是兼容多种surface-sensitive若技术。使用QCM-D,例如,您可以跟踪绑定交互,膜的形状变化,膜中断由于这些membrane-compound交互。
通过这个控制平台一起QCM-D监控,就可以测试不同的化合物,环境条件如溶液的pH值、和不同膜特性等成分,或更具体地说,像胆固醇方面分数在双分子层中。
当我们想到最有力的方式使用这些QCM-D技术研究中,我们把它看作一个多参数的方法,杰克曼教授说。我们首先测量了临界胶束浓度(CMC)不同的基于荧光光谱抗菌脂质,然后我们定义不同浓度的抗菌脂质测试上方和下方CMC。我们主要关注不同化合物的相互作用在不同浓度SLB平台利用QCM-D研究化合物的能力。识别哪些工作浓度,浓度的最低有效浓度,膜相互作用。接着我们又在选定的情况下确认与荧光显微镜形态学变化。
当我们开始这项工作,我们致力于月桂酸(LA)和甘油单月桂酸酯(GML),了解他们如何与一个SLB平台交互。我们使用QCM-D收集很多关于系统的信息,包括动力学,它如何改变随着时间的推移,,还在了解这些系统的形态学特性的adlayer质量和粘弹性,杰克曼教授说。
一件事真的在这里强调QCM-D是高度surface-sensitive,杰克曼教授说。调查卷,或穿透深度,是~ 100 - 200纳米,这取决于特定的泛音。但它是非常特殊的事情发生在固液界面。在我们的例子中,我们有一个SLB这固液界面,我们真正学习QCM-D技术就是SLB属性随时间变化由于脂肪酸和单甘油酯的交互。
基于QCM-D技术,我们可以研究脂肪酸,monoglyceride-membrane交互。去那里之前,我们可以验证的成功制造SLB平台在传感器表面,也使用QCM-D技术。在我们的例子中,我们制造slb在二氧化硅表面,我们最终确认共振频率的变化约-26赫兹和能量耗散的变化小于0.5∙106。这些值是一致的支持脂质影响的质量很好。我们展示了各种各样的制造技术,与各种表面QCM-D提供了非常可靠的工具来研究这个SLB平台制造和质量控制。
我们编造SLB平台之后,我们决定添加月桂酸、脂肪酸、GML单甘酯。比较LA和GML,我们看到了非常不同的膜反应,杰克曼教授说。的QCM-D监控之外,我们看到一个非常小的共振频率的变化会下降到-40 Hz之前备份攀升到-28赫兹。我们看到一个相应的能量耗散的变化,达到最多7∙10左右6。时候互补荧光显微镜实验中,我们发现这种拉交互造成我们分类小管形成。小管形成,从SLB中伸出的平台。
非常鲜明的对比,当时GML补充说,我们看到巨大的变化在共振频率为-125赫兹,连同一个巨大的改变在能量耗散在65∙10左右6左右。这与芽的形成。
因此,尽管之前的生物研究的证据,表明脂肪酸和单甘酯膜破坏机理相同,这些生物物理研究QCM-D技术提供了第一个证据,脂肪酸和单甘酯具有不同的膜相互作用,杰克曼教授说。
这些研究还允许我们通过执行中的浓度实验研究中,需要确认胶束形成广泛membrane-disruptive交互,杰克曼教授说。我们还可以进一步了解洛杉矶的一个负电荷与GML的非离子特性也会影响膜易位,以及这如何影响各向异性和各向同性的自发曲率SLB平台,产生不同类型的膜的形态变化。我们特别兴奋,这些生物物理洞察力获得QCM-D测量最近被验证使用分子动力学的解决方案,由其他组确认QCM-D可以研究分子水平相互作用的现象。
基于QCM-D技术,我们能够确定第一次脂肪酸,如洛杉矶、诱导制管,和单甘酯,如GML、诱导出芽。自那时以来,我们已经能够开发胆固醇——富有slb、不同水平的胆固醇,看看GML出芽和LA制管胆固醇分数的影响不同,杰克曼教授说。
我们也可以开发的脂肪酸和单甘酯混合物改善membrane-disruptive性能与脂肪酸或单独单甘酯相比,杰克曼教授说。当我们把GML和洛杉矶,我们可以控制中央军委属性和基于混合胶束组成不同分数的GML和拉在一起。使用QCM-D测试,我们已经能够看到,而GML本身原因芽形成和LA本身造成小管形成,当我们在混合胶束结合GML和洛杉矶,我们看到一个生物物理萌芽和小管形成之间的竞争,会导致有趣的生物物理现象。我们得出结论,洛杉矶——GML比率比总拉更重要——GML浓度当看着这种竞争行为之间的不同类型的膜形态的反应,以及他们如何可能引起膜破坏。
只是最后,QCM-D技术已经非常有用的描述抗菌脂质膜相互作用的不同。的一些关键方面的能力定量描述行动的力量和机制,已用于绩效评估和支持开发过程。医学生物技术,该技术具有良好的潜力是巨大机会QCM-D技术在生物物理学和生物技术领域,杰克曼教授总结道。
想要了解更多关于如何使用QCM-D膜生物物理学领域,看网络研讨会杰克曼教授。
