脂质组成对倒相乳液法形成脂质体数量与尺寸的影响机制研究

《Biophysical Journal》：Lipid composition effects on the number and size of liposomes formed by the inverted emulsion method

本文针对倒相乳液法制备脂质体产率低、尺寸控制难的问题，系统研究了磷脂组成对脂质体形成的影响。研究发现添加10%带电脂质（DOPG/DOPS/DOPA）可使脂质体产率提升约10倍，大头基脂质在自然沉降法中促进大尺寸脂质体形成。该研究为人工细胞模型构建提供了重要优化指南。

　　

在构建人工细胞模型的研究中，脂质体作为模拟细胞膜结构的重要载体，其高效制备一直是合成生物学领域的核心挑战。传统的脂质体水化法和电形成法存在封装效率低、缓冲条件苛刻等局限，直到2003年Pautot等人开发的倒相乳液法（inverted emulsion method）通过将水包油液滴转移至油水界面，实现了生理条件下大分子物质的高效封装。然而历经二十余年应用，该方法仍存在脂质体产率不稳定、尺寸分布难以调控等瓶颈问题，特别是脂质组成对形成效率的影响机制始终缺乏系统研究。

近日发表于《Biophysical Journal》的研究论文首次定量揭示了磷脂组成对倒相乳液法形成脂质体的关键影响。研究团队以鸡蛋卵磷脂（egg PC）为基础膜材，通过系统替换不同头基特性的磷脂，发现带电脂质的添加可显著提升脂质体产率，而头基尺寸则直接影响脂质体尺寸分布规律。这一发现为优化人工细胞制备方案提供了重要理论依据。

研究主要采用倒相乳液法的两种变体——自然沉降法（依靠密度差自发转移）和离心沉降法（借助离心力加速转移）。通过精确控制脂质组成比例，利用荧光显微镜和相衬显微镜对脂质体进行形态学分析，并结合图像处理软件定量统计脂质体数量与尺寸分布。实验过程中特别注重温度控制（0-16°C）和界面孵育时间（0-30分钟）等关键参数的标准化。

脂质组成对自然沉降法脂质体产率的影响

研究团队通过替换10% egg PC发现，带电脂质DOPA、DOPG和DOPS分别使脂质体数量提升13.7倍、8.83倍和8.84倍，而中性脂质DOPC无显著影响。值得注意的是，头基分子量较小的DOPA（头基分子量约为PC的一半）提升效果最显著，暗示电荷效应与头基尺寸存在协同作用。功能性脂质如Biotinyl-Cap-PE（生物素化）和DGS-NTA(Ni)（镍螯合）在添加5%时可使产率提高3倍以上，而PEG2000-PE（聚乙二醇化）在1%添加量下也有2.96倍提升，表明大头基脂质同样具有促进作用。

脂质组成对脂质体尺寸的调控机制

概率分布分析显示，大头基脂质（如PEG2000-PE）会使脂质体尺寸分布向大直径方向偏移。当添加1% PEG2000-PE时，直径大于30μm的脂质体出现概率显著增加。通过对比水包油液滴的原始尺寸分布，研究人员发现不同脂质组成并未改变液滴尺寸，说明大头基脂质是通过提高液滴向脂质体的转化效率（特别是对大尺寸液滴的转化）来实现尺寸调控。

温度与时间参数对离心沉降法的优化

针对常用离心沉降法，团队系统评估了温度（0-16°C）和界面孵育时间（0-30分钟）的影响。发现低温（0°C）条件下脂质体产率最高，较16°C提升约2倍，而孵育时间超过10分钟后产率趋于稳定。这一结果与先前基于POPC（棕榈酰油酰磷脂酰胆碱）的研究相反，突显了egg PC作为混合脂质的复杂相变特性。

离心沉降法中脂质组成的差异化效应

在离心力作用下，添加10% DOPG或DOPE可使脂质体产率提升约10倍，但与自然沉降法不同，大头基脂质（Biotinyl-Cap-PE、DGS-NTA、PEG2000-PE）在离心法中未表现出显著促进作用。研究人员认为强离心力可能掩盖了大头基脂质对界面转移过程的细微调控作用。

讨论部分提出三个关键机制：脂质分子在界面的充足供给、带电脂质产生的膜间排斥力、以及头基尺寸调控的水分子侵入效应。其中大头基脂质通过空间位阻效应、小头基脂质通过稳定负曲率，共同促进液滴在油水界面"颈部"区域的断裂效率。研究同时指出，胆固醇、磷脂酰肌醇等重要生物脂质尚未纳入本次研究体系，需进一步拓展。

该研究首次建立了脂质组成-形成效率-尺寸分布的定量关系，不仅证实了带电脂质提升产率的经验性认知，更揭示了大头基脂质在尺寸调控中的新功能。这些发现为人工细胞模型的标准化制备提供了关键设计原则，将推动合成生物学向更高精度和可重复性发展。