【物化】磷脂膜表面分子行为的深入理解与简单调控（二次谐波与荧光光谱的组合分析）

注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析

磷脂囊泡由于其无毒、生物相容性好等优点被广泛用作药物载体材料。研究分子与磷脂膜间的相互作用对理解载药囊泡和真实细胞对药物分子的吸收和排出机理具有重要的意义。对囊泡表面分子的行为进行实时原位探测是相关动力学过程研究中最重要的一步。近期，哈尔滨工业大学（深圳）干为教授研究组，利用二次谐波技术对囊泡表面染料和药物分子的吸附和跨膜传输行为进行了深入理解并提出了更细致的模型；证实了带电离子可作为跨磷脂膜被动传输的主要迁移形式；利用分子在界面荧光效率的变化将双光子荧光也作为一种界面选择性的技术对分子的结构与动力学行为进行了研究；通过单纯调节囊泡外盐离子浓度促进了药物分子传输性能。

作者通过细致的实验观测发现，一定浓度下的染料分子D289在磷脂酰甘油囊泡表面的吸附传输过程中，二次谐波信号的下降可分为一个秒量级的快过程和一个数百至数千秒量级的慢过程，如下图显示。此结果与领域内普遍报道的分子吸附后以单指数动力学规律跨膜传输的实验观测具有显著的差异。对此作者提出新的理解：这两个过程分别对应吸附在囊泡外表面D289分子的快速翻转及缓慢跨膜迁移两个过程。通过向已平衡的体系中加水稀释样品观测D289分子的由内向外传输，以及向囊泡外加入不同浓度的氯化钠改变界面的离子间相互作用，得到了预期的实验结果（下图），从而验证了提出的物理图像。同时，作者通过此实验证实，具有接近于平面结构的孔雀绿染料分子和棒状结构的D289分子，均主要以带电离子的形式参与跨膜传输。此实验帮助澄清了关于带电分子跨膜传输的主要迁移形式是中性、离子对还是带电状态的争议。

该研究组还结合二次谐波和双光子荧光技术对多柔比星在此囊泡表面的吸附传输行为进行了深入的研究，发现在一定的浓度范围内，水溶液中的多柔比星并不穿透此囊泡进行跨膜传输，在较高浓度下，多柔比星的吸附动力学包含数秒和数十秒的两个不同动力学过程（如下右图显示）。结合双光子荧光信号的显著变化，作者发现此较快过程是分子在界面的吸附聚集过程，对应双光子荧光信号的迅速下降；较慢过程是分子聚集体解离并嵌入磷脂膜的过程，对应双光子荧光信号缓慢上升或下降。结合二次谐波与双光子荧光这两种技术，通过两种方法得到的时间常数之间的相互印证，可得到界面动力学行为的可靠信息。

结合以上理解，作者向囊泡外水溶液中加入毫摩尔量级浓度的盐离子，使原本没有传输行为的多柔比星发生了跨膜传输（如下图显示），再次证实了以上提出的物理模型的正确性。

以上研究结果对于研究染料与药物分子与模拟细胞膜乃至于真实细胞膜表面的复杂相互作用提供了新的思路。这一成果近期发表在Materials Today Physics 和Journal of Physical Chemistry B 上。

1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Simple physics in and easy manipulating of the interfacial behavior of charged molecules on drug delivery vesicles

Chen, S. L.; Liang, Y. Z.; Hou, Y.; Wang, H. Q.; Wu, X. X.; Gan, W.; Yuan, Q. H

Materials Today Physics., 2019, 9, 100092, DOI: 10.1016/j.mtphys.2019.03.006

2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Understanding the Dynamic Behavior of an Anticancer Drug, Doxorubicin, on a Lipid Membrane Using Multiple Spectroscopic Techniques

Hou, Y.; Chen, S. L.; Gan, W.; Ma, X.; Yuan, Q. H

J. Phys. Chem. B., 2019, 123, 3756-3762, DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b01941

干为教授简介

干为，哈尔滨工业大学（深圳）理学院教授。1998年毕业于中国科学技术大学，2006年于中国科学院化学研究所获得博士学位，2006年至2011年期间先后在美国哥伦比亚大学、天普大学开展博士后工作，2011年11月回国就职于新疆理化技术研究所，担任中国科学院“百人计划”研究员， 2016年6月起就职于哈尔滨工业大学（深圳）。

研究领域主要是表界面物理化学过程研究，近期工作集中于胶体与界面研究方向，如软物质内界面分子结构与物理化学过程的研究，包括纳米颗粒表面、水油乳液界面、囊泡、细胞表面等。在Angewandte Chemie International Edition、Materials Today Physics、 Journal of Physical Chemistry 等期刊发表SCI论文50余篇，被引用2000余次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/23356

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：最初我们计划直接开展一些肿瘤细胞表面的药物、染料分子结构与动力学行为研究，期望可以直接解决一些细胞染色、药物传输等大家一直关注的问题。后来发现，在大家已经研究很多的常见的一种模型磷脂膜表面，染料与药物分子的光谱信号变化就很复杂。因此，我们将研究的重点转移到对这些实验结果的理解和背后物理图像的寻找这个方面。我们发现，在此工作的基础上，模型离子膜表面还有不少需要研究清楚的问题。因此，一方面我们会开展一些肿瘤细胞表面的研究工作，一方面我们还会继续对各种模型磷脂膜表面的分子结构与物理化学过程进行研究。

Q：在研究过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本工作遇到的最大的挑战有两个。一是对染料分子D289的复杂二次谐波信号变化规律进行理解，另外一个是对多柔比星在磷脂膜上二次谐波与荧光信号的变化规律进行理解，因为这些信号的变化规律都无法从以往研究中得到直接的回答。通过对文献中已有知识的综合分析和比较大胆的推测，结合一些实验的设计和尝试，我们才对分子在膜上的动力学行为与相应的散射光谱信号变化规律有了确切的解释。

有付出就有收获，解决前一个挑战时我们提出了描述分子在磷脂膜上吸附传输行为中的一个更为完整的新的物理图像。解决第二个挑战，我们提出了将两种光谱技术进行组合分析从而得到界面动力学过程准确信息的一种新的思路。我想这正是我们物理化学研究的最有趣的一个方面：理解了实验观测中难于理解的数据经常就意味着一个新的发现。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：本项研究的成果最可能为药物缓释囊泡的制备和性能研究中的问题，以及细胞对药物的吸收机理和抗药性的产生等问题的回答提供参考。在脂质体药物开发中，提高载药量减少泄漏量依然是此领域一直关心的问题；药物分子在磷脂膜上的行为会影响细胞对药物的吸收和排出。因此，在分子层次上对囊泡膜表面的分子行为进行了细致探测和深入理解这些应用研究的基础。

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