脂质筏动力学行为的外场调控与机理研究

A deep understanding of the lipid raft structure dynamics is of great importance to the control of crawling, endocytosis, exocytosis, and signal transduction in living cells. However, there are still many controversies concerning the factors and mechanisms in regulating the dynamics of lipid rafts owing to the diversity of cells and the complexity of physiological environment. In this project, we will utilize model membranes with controllable composition to study the migration and destabilization of the lipid domains, mimics of lipid rafts, under temperature field or shear field with adjustable strength. A variety of characterization methods including fluorescence microscope, single particle tracking and others will be used. Firstly, we will investigate the migration and enrichment of lipid domains under temperature field, obtaining the optimal field condition for the efficient sorting of a specific membrane component. Then we will elucidate the domain destabilization mechanism caused by shear field, understanding the contributions of the energy input of the external field to the phase transition dynamics. Lastly, we will explore the physical origins of the domain-size dependence in the external-field-induced phase behaviors, while try to regulate the phase separation in giant plasma membrane vesicles through the external fields. The successful completion of this project will deepen our understanding of the dynamics of lipid rafts, providing meaningful guidelines for the treatment of raft-related diseases and the controllable preparation of phospholipid materials.

深入理解脂质筏结构的动态变化对调控细胞爬行、内吞外排和信号传导等生命活动有着重要的科学意义。但是，由于细胞种类的多样性和生理环境的复杂性，调控脂质筏动态变化的因素和机制仍存在许多争议。本项目基于组分可控的仿生膜体系，构建强度可调的温度场与剪切场，结合荧光显微、单粒子追踪与其它膜物理性质的精细表征，探索仿脂质筏的磷脂微畴在外场下的迁移与失稳动力学。考察温度场下微畴的迁移和富集，力图获取能够实现高效组分分拣的外场条件；研究剪切场导致微畴失稳的内在机制，深入理解外场能量输入在相行为演变动力学中的贡献；探究外场调控效应中的相畴尺寸依赖性的物理根源，尝试对细胞膜的相分离进行外场调控。期望通过本项目的研究，深化对细胞中脂质筏动态变化机制的理解，为筏相关疾病的治疗、磷脂组装材料的可控制备提供有意义的指导。

脂质筏是细胞膜中磷脂相分离形成的功能微区，对膜内生物分子的空间组织起着关键作用。但由于活体处于非平衡态，脂质筏在活体内的动态组装仍是难以准确预测的。本项目结合实验与理论方法，从脂质筏的粗化路径、扩散模式、成长标度律等，定量地研究了多组分磷脂在外场下的相分离动力学，深入理解外场与外来物引起的脂质筏演变机制；并以此为基础，应用脂质筏可控性提升了特异性的细胞膜靶向。首先，我们发现渗透压、温度梯度外场可影响脂质筏的侧向扩散性质，输入能量加速了脂质筏的粗化成长。具体的，在渗透压梯度场下，发现脂质筏粗化动力学与膜黏滞性相关。高黏性膜中脂质筏依赖布朗运动扩散粗化，而低粘性膜中脂质筏融合产生的流场可促进脂质筏的碰撞粗化。两种扩散模式由流场动能耗散于周边水媒介的差异产生。建立脂质筏扩散模式依赖的粗化模型，理解了脂质筏尺寸与粗化时间满足的不同标度律。相较于无渗透压环境，较高的标度指数源于渗透压抑制的膜形变与热波动。在温度梯度场下，发现有序相和无序相脂质筏均向高温侧移动，与无温度场下脂质筏的随机扩散存在显著区别。基于径向波动获取了高低温侧的线张力差异，得到脂质筏定向迁移源于高温侧的线张力降低。推导脂质筏融合次数与扩散模式间的关系，理解了温度场加速的脂质筏粗化。在上述研究基础上，我们尝试利用脂质筏的可控性，在细胞与活体中提高药物载体对特异细胞的靶向性。为研究活体内的脂质筏相关行为，我们基于金棒的光热效应构建了温度梯度场;利用含脂质筏生物膜侧向流动产生的高靶向，模仿中性粒细胞实现炎症的趋向性;利用正常与肿瘤细胞膜性质差异，通过保护性聚合物修饰强化两者的纳米材料摄取差异。项目的研究结果促进了非平衡态磷脂相分离机制的理解，为调控细胞膜表面的生物分子再分布提供了有价值的参考。在项目的支持下，我们在Nanoscale、Colloids and Surfaces B、CPL等期刊上发表研究论文11篇，联合培养硕士研究生4名。