重新评估DMSO与脂质的相互作用：改进后的AMBER力场更侧重于溶剂效应而非双层结构在冷冻保护中的作用

《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes》：Reassessing DMSO–lipid interactions: Improved AMBER force fields emphasize solvent rather than bilayer effects in cryoprotection

DMSO在低浓度下通过调控水和冰的行为而非直接改变脂膜结构起冻保护作用，抑制冰晶生长5倍并形成膜-冰界面隔离层，验证了新型AMBER力场对脂膜相互作用模拟的准确性。

　　近年来，随着低温保存技术在医学、科研和工业中的广泛应用，生物材料的长期储存和运输需求不断增长。然而，生物细胞在冷冻和解冻过程中常常遭遇显著的物理和化学压力，这不仅影响其功能，还可能导致细胞死亡。因此，理解并优化冷冻保护机制，成为生物保存研究中的重要课题。其中，二甲基亚砜（DMSO）作为一种常见的冷冻保护剂（CPA），在细胞保存中发挥着重要作用。尽管已有大量研究探讨了DMSO与脂质膜之间的相互作用，但其对膜结构的具体影响仍然存在争议，特别是在低温条件下的作用机制尚未完全明确。

本研究旨在重新评估低浓度DMSO（1.5–10体积百分比）对二十二烷基磷脂酰胆碱（DMPC）膜的影响。研究采用了更新的AMBER力场参数（LIPID17、OPC、GAFF2），以提高分子动力学（MD）模拟的准确性。通过在液态（330 K）和凝胶态（260 K）条件下进行模拟，并在冰形成环境中进行实验，研究人员希望更全面地揭示DMSO在冷冻保护中的作用机制。研究结果表明，在低浓度下，DMSO对膜厚度、面积每脂、水合程度和酰基链有序度均无显著影响，说明其对双层结构的改变有限。这一发现与以往力场参数所描述的DMSO与脂质膜之间较强的相互作用形成对比，表明当前的模拟结果更符合实验数据。

此外，DMSO在脂质膜的疏水-亲水界面表现出一定的富集现象，特别是在靠近羰基和甘油基团的区域。然而，大多数DMSO分子仍保留在溶剂中，而非进入膜内部。这一分布模式意味着，DMSO对膜结构的影响主要体现在溶剂相，而非膜本身。在冰形成过程中，DMSO表现出显著的抑制作用，能够减缓冰晶的生长速度，大约减少五倍。同时，DMSO被排除在冰晶结构之外，并在冰-膜界面富集，形成一层无冰区域，从而保护膜免受冰晶的直接损伤。这一发现表明，DMSO的冷冻保护作用主要源于其对水和冰行为的调控，而非直接改变膜结构。

值得注意的是，即使没有DMSO的存在，冰在接触膜的过程中也未导致明显的结构破坏。这一现象提示，冷冻损伤可能不仅涉及脂质膜本身，还可能与其他膜成分有关。例如，细胞膜中的蛋白质、糖脂或其他结构元素可能在冰形成过程中起到缓冲作用，减少对膜的机械应力。因此，研究冷冻保护剂的作用机制时，不能仅关注脂质膜，还需考虑整个细胞膜系统的复杂性。

DMSO在低温保存中的作用机制一直是研究的热点之一。其不仅能够抑制冰的形成，还能减少冰晶对细胞的机械损伤。然而，DMSO在低浓度下的保护效果仍然存在争议。一些研究表明，DMSO在液态相中能够增加膜的厚度，而在凝胶相中则可能导致膜变薄。这种现象可能与DMSO分子在膜中的分布有关，特别是在疏水-亲水界面的富集和在膜内部的渗透行为。然而，其他研究则发现，在低浓度下，DMSO对DMPC膜的厚度和面积每脂均无显著影响，这可能意味着DMSO在膜结构中的作用较为有限。

为了进一步明确DMSO的作用机制，本研究采用分子动力学模拟方法，对DMSO在不同浓度下的行为进行了详细分析。研究结果表明，在低浓度下，DMSO主要影响的是水和冰的行为，而非直接改变膜的结构。这可能意味着，DMSO的冷冻保护作用更多地体现在其对水分子的调控，例如通过改变水的密度和冰晶的生长速率，从而减少冰对细胞的损伤。此外，DMSO还能够抑制温度驱动下水在非晶态中的密度变化，这可能与DMSO分子在水中的分布和其对水分子运动的限制有关。

研究团队还特别关注了DMSO在不同温度条件下的行为。在液态相中，DMSO分子主要分布在膜的疏水-亲水界面，而在凝胶相中，其分布则更加均匀。这种分布模式可能与DMSO分子的物理化学性质有关，例如其极性、分子大小和氢键能力。此外，DMSO在冰形成条件下的行为也表现出一定的特点，如减缓冰晶的生长速度、被排除在冰晶结构之外，并在冰-膜界面富集，形成无冰层。这些发现表明，DMSO在低温保存中的作用机制较为复杂，不能简单地归结为对膜结构的改变。

研究还发现，DMSO在不同浓度下的作用效果存在差异。例如，在1.5体积百分比的DMSO浓度下，其对膜的影响较为有限，而在10体积百分比的浓度下，其对水和冰行为的调控作用更为显著。这种浓度依赖性可能意味着，DMSO在低温保存中的应用需要根据具体的保存需求进行优化。例如，在需要高度保护的细胞保存过程中，可能需要使用较高的DMSO浓度，而在追求低毒性的情况下，则需要控制其浓度在较低水平。

此外，研究团队还探讨了DMSO在不同保存条件下的作用效果。例如，在快速冷却（代表玻璃化冷冻）和等温冷冻（使用冰种子）条件下，DMSO对冰晶形成和生长的影响存在差异。在快速冷却过程中，DMSO能够有效抑制冰晶的形成，而在等温冷冻过程中，其作用则主要体现在减缓冰晶的生长速度。这种差异可能与冷却速率和冰形成条件有关，例如在快速冷却过程中，DMSO能够迅速形成无冰层，而在等温冷冻过程中，其作用则更加依赖于冰-膜界面的相互作用。

研究结果还表明，DMSO在低温保存中的作用机制可能与膜的物理状态有关。例如，在液态相中，DMSO对膜的影响较为有限，而在凝胶相中，其作用则更为显著。这可能意味着，DMSO在不同温度条件下的作用机制存在差异，需要根据具体的保存条件进行优化。此外，DMSO在不同浓度下的作用效果也存在差异，例如在低浓度下，其对膜的影响较小，而在高浓度下，其对水和冰行为的调控作用更为显著。

本研究的结果为低温保存技术的发展提供了新的思路。通过揭示DMSO在不同浓度和温度条件下的作用机制，研究团队希望为优化冷冻保护剂的配方和应用提供理论支持。例如，在需要高度保护的细胞保存过程中，可能需要使用较高的DMSO浓度，而在追求低毒性的情况下，则需要控制其浓度在较低水平。此外，研究团队还建议，未来的研究应进一步探讨DMSO与其他膜成分之间的相互作用，以更全面地理解其在低温保存中的作用机制。

在实验方法方面，本研究采用了分子动力学模拟技术，结合最新的力场参数，对DMSO与DMPC膜之间的相互作用进行了系统分析。研究团队通过构建包含128个脂质分子的DMPC膜，并加入不同浓度的DMSO分子，模拟了其在不同温度条件下的行为。此外，研究团队还对膜的水合程度进行了分析，发现DMSO在不同浓度下的水合行为存在差异。例如，在低浓度下，DMSO对膜的水合程度影响较小，而在高浓度下，其对水分子的分布和行为产生了更为显著的影响。

研究结果还表明，DMSO在不同浓度下的作用效果存在差异。例如，在1.5体积百分比的DMSO浓度下，其对膜的影响较小，而在10体积百分比的浓度下，其对水和冰行为的调控作用更为显著。这种浓度依赖性可能意味着，DMSO在低温保存中的应用需要根据具体的保存需求进行优化。此外，研究团队还建议，未来的研究应进一步探讨DMSO与其他膜成分之间的相互作用，以更全面地理解其在低温保存中的作用机制。

研究团队还特别关注了DMSO在不同保存条件下的作用效果。例如，在快速冷却和等温冷冻条件下，DMSO对冰晶形成和生长的影响存在差异。在快速冷却过程中，DMSO能够有效抑制冰晶的形成，而在等温冷冻过程中，其作用则主要体现在减缓冰晶的生长速度。这种差异可能与冷却速率和冰形成条件有关，例如在快速冷却过程中，DMSO能够迅速形成无冰层，而在等温冷冻过程中，其作用则更加依赖于冰-膜界面的相互作用。

本研究的结果为低温保存技术的发展提供了新的思路。通过揭示DMSO在不同浓度和温度条件下的作用机制，研究团队希望为优化冷冻保护剂的配方和应用提供理论支持。例如，在需要高度保护的细胞保存过程中，可能需要使用较高的DMSO浓度，而在追求低毒性的情况下，则需要控制其浓度在较低水平。此外，研究团队还建议，未来的研究应进一步探讨DMSO与其他膜成分之间的相互作用，以更全面地理解其在低温保存中的作用机制。

综上所述，本研究通过分子动力学模拟方法，结合最新的力场参数，重新评估了低浓度DMSO对DMPC膜的影响。研究结果表明，DMSO在低浓度下对膜结构的改变有限，主要作用体现在对水和冰行为的调控。这一发现为低温保存技术的发展提供了新的视角，并可能为优化冷冻保护剂的配方和应用提供理论依据。未来的研究应进一步探讨DMSO与其他膜成分之间的相互作用，以更全面地理解其在低温保存中的作用机制。