脂质氧化对富含磷脂酰肌醇和磷脂酰丝氨酸的神经元仿生模型中膜特性的影响

《The Journal of Physical Chemistry B》：Lipid Oxidation Effect on Membrane Properties in Phosphatidylinositol- and Phosphatidylserine-Enriched Neuronal Biomimetic Models

　　

氧化应激是神经退行性疾病的关键驱动因素，但其对复杂神经元膜的力学特性的影响仍不明确。研究人员采用计算与实验相结合的自下而上方法，研究了从简单双分子层到模拟人类神经元组成的复杂混合物在内的仿生膜。结果表明，氧化影响了所有研究中的膜特性。尽管在所有系统中都观察到膜厚度和面积压缩性的下降，但在较简单的模型中，弯曲刚度（bending rigidity，κ）、每脂质面积（area per lipid，APL）和扩散系数的趋势仍然不一致。研究确定了磷脂酰肌醇和胆固醇对这些特性的显著影响。实验制备的巨型单层囊泡（giant unilamellar vesicles，GUVs）表现出2%至17%之间的氧化水平，其中富含胆固醇的混合物对过氧化表现出更高的敏感性。此外，研究提出了一种方法，证明实验获得的弯曲刚度的偏差可以部分由氧化水平来解释。本研究强调，在准确建立神经膜的力学行为模型时，考虑氧化因素是至关重要的。

氧化应激正逐渐演变成为一种文明病，通常由不良饮食、过量食用加工食品、过度使用刺激物以及长期精神压力引起。当体内氧化剂与抗氧化剂水平失衡时，会导致细胞、组织和器官受损。由于大脑耗氧量高且富含脂质，因此极易受到氧化应激的损害。过度氧化会导致细胞功能故障和神经退行性病变，如阿尔茨海默症、帕金森症、肌萎缩侧索硬化、多发性硬化症和缺血性中风。脑细胞膜中超过66%的质量由磷脂构成，因此系统研究氧化应激对膜的影响至关重要。脂质氧化是氧化剂攻击含有碳碳双键的不饱和脂质分子的复杂过程，会导致酰基链退化、功能破坏以及过氧化物衍生物的形成。现有研究已观察到氧化引起的膜表面积增加、厚度降低、脂质结构域形成及渗透性改变等现象。然而，简单的脂质模型可能不足以深入探究氧化对膜的影响。随着脂质组学的发展，研究人员能够构建更复杂的仿生脂质膜。基于此背景，研究人员基于人类神经元内膜的脂质比例构建模型，采用自下而上的策略，从简单均质膜逐步添加不同脂质类型，探究氧化对膜特性的影响，并在《The Journal of Physical Chemistry B》上发表了相关研究成果。本研究具有重要意义，强调了在研究神经膜力学行为时必须将氧化降解视为关键因素。

研究人员在开展本研究时主要采用了以下关键技术方法：全原子分子动力学（MD）模拟、真实空间涨落（RSF）方法、面积压缩性分析方法、巨型单层囊泡（GUVs）电形成技术、闪烁噪声光谱法（Flicker Noise Spectroscopy）以及硫代巴比妥酸（TBA）比色法与抗坏血酸-钼酸盐法。

膜模型的分子动力学表征
研究人员基于人类神经元浆膜内膜组成构建模型，对POPC、SOPS、SAPI及胆固醇构成的多种脂质混合系统进行10%的随机脂质氧化处理并实施分子动力学模拟。研究得出结论：氧化使得所有研究模型的膜厚度均下降，其中POPC/SOPS和POPC/Chol/SOPS脂质膜的下降最为显著，而胆固醇的存在起到了缓解作用。对于每脂质面积（APL），在均质POPC膜中略微下降，但在包含SOPS或SAPI的膜中有所增加，胆固醇的存在再次逆转了这一现象。在力学特性方面，弯曲刚度（κ）在POPC和POPC/SOPS中略有增加，但在POPC/SAPI中下降，胆固醇的存在使各膜的弯曲刚度统一表现为下降。所有膜的倾斜刚度和面积压缩系数（K_A）在氧化后均降低，尤其在富含胆固醇的膜中变化更为显著，这是由于氧化截短了酰基链并破坏了胆固醇带来的致密堆积。扩散系数的变化因混合物而异，但均未超出参数测定的不确定度范围。通过分析有序度参数（S_CD），发现氧化不仅改变了被氧化脂质的构象，也影响了周围未氧化脂质的结构，表明氧化影响范围波及整个膜片区。

巨型单层囊泡（GUVs）的表征
研究人员利用前述脂质混合物制备了GUVs模型，通过闪烁噪声光谱法测定弯曲刚度，利用TBA比色法分析氧化水平。通过将POPC膜的弯曲刚度作为参考基准，发现POPC/SOPS和POPC/SAPI的弯曲刚度均有所增加，这与部分文献指出的多不饱和酰基链对应低弯曲刚度的规律相悖。含胆固醇混合物的弯曲刚度增加符合已知现象。此外，实验测得样本的氧化水平在2%至17%之间，均质POC囊泡氧化水平最低，含SOPS混合物的氧化水平及个体偏差较高，而含胆固醇混合物的氧化水平普遍高于纯磷脂混合物，验证了胆固醇会影响生物膜中脂质过氧化速率的文献记录。

计算与体外结果的相关性
为了探究弯曲刚度能否用于估计样本的氧化水平，研究人员基于具有精确氧化水平的MD数据，对每种膜成分建立了弯曲刚度随氧化程度变化的线性模型。结合实验获得的弯曲刚度值反推样本中的氧化水平。结果显示，对于POPC/Chol/SAPI和POPC/Chol/SOPS等因氧化导致弯曲刚度发生显著变化的脂质混合物，实验测得的氧化水平与通过模型估算的氧化水平表现出一致性，尽管该方法在精度上由于不确定性因素存在一定局限。这表明即使在受控环境中，氧化依然存在并强烈影响膜的生物物理特性。

总结讨论
本研究通过系列模拟与实验，调查了基于神经元脂质组的复杂混合物中氧化对膜特性的影响。结论表明，氧化影响所有生物物理特性，其中膜厚度和面积压缩性（K_A）在所有样本中均呈恒定负向变化，而APL、弯曲刚度等其余参数则随样本不同呈现特异性变化，证实了每种氧化产物对膜特性的影响各不相同。实验指出含胆固醇混合物的氧化水平显著更高，且实验中测得的弯曲刚度偏差在一定程度上可由氧化水平解释。研究强调在解读脂质膜研究数据时必须将氧化降解视为关键因素。由于本研究使用的模型为侧重头部多样性而简化了多不饱和脂肪酸（PUFA）成分，未来研究应考虑引入更高的PUFA比例，系统探究脂肪族尾部不同碳位点处链截断的生物物理后果。