综述：植物脂滴及其衍生脂质纳米组装体：结构、生物发生与制药应用

《Plant Biotechnology Journal》：Plant Lipid Droplets and Derived Lipidic Nano-Assemblies: Structure, Biogenesis and Pharmaceutical Applications

本综述系统探讨了植物脂滴（LDs）作为多功能细胞器的结构特征、生物发生机制及制药应用前景。文章详细解析了LDs由磷脂单层包被中性脂质核心的独特结构，重点介绍了油质蛋白（oleosins）、钙蛋白（caleosins）和甾醇蛋白（steroleosins）等关键蛋白的功能。综述还涵盖了LDs分离纯化技术、稳定性影响因素，以及人工脂质纳米滴（ALNDs）作为药物载体的最新进展，特别强调了其在改善疏水性药物溶解度、生物利用度和靶向递送方面的潜力，为新型纳米药物递送系统的开发提供了重要理论依据。

　　

植物脂滴（Lipid Droplets, LDs）是植物细胞中储存中性脂质的主要细胞器，近年来被发现具有远超能量储存的多种生物学功能。这些动态细胞器最丰富地存在于种子中，但也普遍存在于所有其他植物组织中。随着研究的深入，LDs在脂质稳态、信号传导、炎症反应和细胞器间通讯等方面的作用逐渐被揭示。

LDs作为多功能细胞器的认知演进

LDs的研究历史可追溯至19世纪，早期被称为"脂质体"，但随着人工脂质体的发明，该术语被重新定义，最终采用了"脂滴"这一名称。在植物中，LDs曾被称为油体、脂质体或油质体。直到21世纪初，学术界达成共识，将所有这些起源于不同生物但形态相似的细胞器统称为LDs。

植物LDs的分布极为广泛：在油料种子中可占种子干重的一半以上，在花粉粒中积累并为花粉管生长提供能量，甚至在叶片和根等营养组织中也能瞬时出现。特别值得注意的是，叶片LDs在正常发育过程中数量较少，但在衰老或病原体感染等胁迫条件下会显著上调，表明其能动态响应外部信号。

LDs的精细结构解析

电子显微镜显示，植物LDs是直径通常为0.1-5μm的球形细胞器。其结构相对简单，由一个脂质丰富的核心和包围它的磷脂单层组成，这一结构将其与水性细胞质分隔开来。

磷脂单层是LDs的关键组成部分，主要包含磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、磷脂酰肌醇（PI）等磷脂。这些磷脂作为表面活性剂，通过降低LD表面张力来稳定疏水性中性脂质，同时通过形成乳液系统增强结构完整性。

LDs的脂质核心主要由三酰甘油（TAGs）和甾醇酯（SEs）构成。TAGs由三个脂肪酸酰基残基酯化到甘油骨架上形成，其物理性质受特定脂肪酸组成及其在甘油分子上的位置排列影响。虽然大多数植物LDs的核心由脂肪酸酰基酯组成，但存在例外情况，如霍霍巴灌木主要以蜡酯为主要储存脂质。

LDs相关蛋白的功能分类

LDs的功能由其相关蛋白调控。这些蛋白可分为两大类：ERTOLD蛋白和CYTOLD蛋白。

ERTOLD蛋白稳定地与膜结合，在LDs和内质网（ER）之间分配，包括油质蛋白、钙蛋白和甾醇蛋白。油质蛋白是植物种子中最丰富的LD蛋白，其中心疏水性发夹 motif 深入LD核心，在稳定LD结构中起关键作用。钙蛋白含有典型的钙结合EF-hand motif，表明其在钙介导的信号传导或调节中具有潜在作用。甾醇蛋白则含有甾醇结合位点和NADPH结合位点，催化甾醇底物转化为油菜素类固醇。

CYTOLD蛋白直接从细胞质或其他非ER细胞器招募到LD表面，它们能识别LD单层中磷脂未紧密堆积的区域，可能不参与LD稳定性的结构作用。

LDs的生物发生过程

LDs的生物发生是一个复杂的过程，涉及磷脂单层、TAGs/SEs和特定LD相关蛋白的协调化学计量组装。这一过程可分为三个动态阶段：

第一阶段包括中性脂质合成和膜内透镜体形成。二酰基甘油酰基转移酶（DGATs）驱动TAG形成，而酰基辅酶A：胆固醇O-酰基转移酶（ACATs）介导SE合成。新形成的中性脂质最初分散在ER膜内，但随着浓度增加，它们发生相分离和 coalescence，在ER膜双层内部形成油透镜体。

第二阶段涉及LD从ER膜出芽。磷脂组成和整合蛋白的特性在此过程中起关键作用。为了最小化中性脂质暴露于水性细胞质，表面张力成为将LDs塑造成特征性球形结构的关键因素。

第三阶段包括LD在细胞质中的生长和成熟。从ER出芽后，LDs被释放到细胞质中，经历进一步的生长和成熟。新形成的LDs被磷脂单层和功能蛋白包裹，其核心通常由TAGs和SEs组成。

植物LDs的分级分离技术

从植物材料中分离完整LDs基于其低密度特性，使其能够在山梨醇梯度中进行差速离心时上浮。这一方法确保了LD组分的纯化，同时保持了它们的天然结构并保留了相关蛋白的催化活性。

基本流程包括：将组织在适当缓冲液中温和匀浆，然后用密度较低的上浮缓冲液进行离心。结果，LDs从提取缓冲液中分离，通过上浮缓冲液上升，并在离心管顶部积累成可见的脂肪层。整个过程需要在低温条件下进行，以保持LDs的完整性和功能性。

影响LDs稳定性的关键因素

LDs的稳定性受多种因素影响。pH值是关键因素之一，当乳液pH值降低时，LDs的ζ电位从负值转变为正值，等电点通常在pH 3-6之间。当pH值远离等电点时，LDs的平均直径保持较小，强静电排斥防止聚集，增强其稳定性。

盐浓度也影响LDs的稳定性，高盐浓度会降低ζ电位，导致LDs聚集。热处理同样影响LDs稳定性，加热超过70°C不会引起颗粒大小的显著变化，但会导致ζ电位的变化，可能是由于界面处某些外在蛋白的损失。

人工脂质纳米滴的构建与应用

重建稳定的人工LDs在技术上是可行的，使用天然LDs中的三种基本成分：非极性脂质（如TAGs）、两亲性磷脂和各种LD相关蛋白。近年来，ALNDs作为治疗应用的有前途的载体，受到了制药业的显著关注。

ALNDs可以通过不同的技术合成，包括薄膜水化法、反相蒸发法和微流体动力聚焦法。此外，ALNDs可以进行表面修饰，使用特定配体实现与细胞受体的靶向结合，提高药物和疫苗递送效率。

LDs作为药物载体的应用前景

植物LDs作为天然、生物相容性载体，在制药、食品和生物技术领域的实际或潜在应用日益增多。其作为疏水性药物载体的应用尤其引人关注，能够显著提高这些药物的稳定性和溶解度。

研究表明，植物来源的LDs可以有效表达重组药物肽和全长蛋白。例如，人生长激素样因子1（hIGF-1）已在拟南芥种子LDs中使用油质蛋白融合技术成功表达。类似地，重组人成纤维细胞生长因子9（rhFGF9）也在拟南芥和红花的LDs中成功表达，证明其具有治疗应用潜力。

在核酸递送方面，ALNDs已成为mRNA递送的成功平台，基于ALNDs的mRNA疫苗已在临床中用于对抗COVID-19，标志着mRNA治疗学的重大进展。此外，植物种子来源的LDs也被用于疫苗开发，抗原可以物理关联于LD表面或作为与油质蛋白的重组融合蛋白表达。

未来展望与挑战

尽管在理解LD结构、生物发生和分级分离方面取得了显著进展，但未来研究和工业应用仍面临若干挑战和机遇。优化LD提取和纯化技术以提高产量、纯度和稳定性是一个关键领域。开发可扩展且成本效益高的分级分离方法对于植物LDs的大规模制药应用至关重要。

先进生物工程方法，如遗传修饰、基因组编辑和合成生物学，可用于定制LD组成，实现富含生物活性脂质、工程蛋白和各种功能 cargo 分子的专用LDs的生产，用于治疗应用。

功能化植物LDs用于靶向递送各种药物或其他治疗剂是另一个重要方向。通过引入特定配体或融合蛋白，LDs可以被设计为以高精度递送这些药剂，提高其生物利用度和临床疗效。

确保任何用于人类的LDs制剂经过彻底的过敏原性测试也是未来需要关注的问题。最后，需要解决植物来源LDs的可持续性和监管方面问题，以促进其商业化。建立安全、有效性和生产的标准化指南对于它们在制药和营养保健品领域的接受至关重要。