Glyceride

23.2 Inverse bikontinuierliche kubische Phasen in Phosphoglycerid–Cholesterin-Gemischen: Cholesterin als Induktor der Biomembranfusion und Endozytose

In Abschnitt 22.3 wurde in Bezug auf den Lipidpolymorphismus und die Rolle der nichtlamellaren mesostrukturellen Topologie erläutert, dass Cholesterin als eine weitere wichtige Komponente (neben bestimmten Glyceriden) in der „Lipidsynthese“ -beschichtete Mikrobläschen (LCM)/von Nanopartikeln abgeleitete“ Nanoemulsionsformulierungen (vgl. Abschnitte 17.1, 19.1, 21.2 und 22.2). Diese Schlüsselrolle des Cholesterins steht im Einklang mit veröffentlichten Daten aus verwandten experimentellen Studien, in denen festgestellt wurde, dass Cholesterin Doppelschichten einiger gängiger biologischer Phosphoglyceride destabilisiert und die Bildung nichtlamellarer Lipidphasen induziert (z. B. Ref. ). Es wurde auch zuvor in Abschnitt 23.1 festgestellt, dass Nieva et al. zeigte eine direkte Korrelation zwischen Lipiddoppelschichtzusammensetzungen, die eine optimale Membranfusion ermöglichen, und solchen, die zur Bildung einer inversen bikontinuierlichen kubischen Phase führen, die durch Röntgenbeugung identifiziert wurde (vgl. Ref. ). Darüber hinaus wurde im gleichen obigen Abschnitt darauf hingewiesen, dass Messungen von Basanez et al. der Membranfusionsraten (d. h. Inhaltsmischung ihrer Liposomen) zeigen ein Maximum bei der lamellar-zu-isotropen (Q224 kubisch) Übergangstemperatur. Diese Forscher behaupten, dass ihre verschiedenen Ergebnisse als Beweis für die Beteiligung invertierter Lipidstrukturen dienen, wie inverse bikontinuierliche kubische Phasen, im Prozess der Membranfusion .

Aus allen oben zusammengefassten experimentellen Befunden und physikalisch-chemischen Argumenten, die zusammen betrachtet werden, könnte man vernünftigerweise erwarten, in der experimentellen Literatur relevante Daten zu finden, die einen klaren Hinweis wie folgt liefern würden: Cholesterin induziert die Bildung inverser kubischer Phasen in Mischungen mit biologischen Phosphoglyceriden und fungiert daher wahrscheinlich als Promotor der Biomembranfusion. Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, eine kürzlich erschienene Veröffentlichung von Tenchov et al. dies ist ein direkter Beweis dafür, dass Cholesterin durch Röntgenbeugung die Bildung inverser bikontinuierlicher kubischer Phasen in Mischungen mit ungesättigten Phosphatidylcholinen (PCs) induziert. Diese Forscher weisen darauf hin, dass dieser Befund ein neuer, bisher unbeschriebener Effekt (siehe unten) von Cholesterin ist, der wichtige Auswirkungen auf seine Rolle bei der Biomembranfusion haben kann. Sie erklären, dass die PCs die Hauptphospholipidklasse in biologischen Membranen sind und im Gegensatz zu Phosphatidylethanolaminen (PEs) die Membran-PCs „nicht-fusogene“ Lipide sind. Die PCs können selbst keine inversen Phasen bilden, wohingegen eine inverse Phasenbildungsfähigkeit mit der Empfindlichkeit gegenüber Membranfusion korreliert (vgl. Ref. ). In: Tenchov et al. „Es ist daher von klarem Interesse, dass Mischungen ungesättigter PCs mit einem anderen wichtigen biologischen Membranlipid, Cholesterin, leicht in eine inverse bikontinuierliche kubische Phase übergehen können. Sie behaupten weiter, dass dieser Befund die Anforderungen an das Vorhandensein von „fusogenen“, inversen phasenbildenden Lipiden, die eine Membran fusogen machen können, auf neue Weise reduziert und beleuchtet. Da die Bildung von bikontinuierlichen inversen kubischen Phasen eng mit der Lipidmembranfusion korreliert , implizieren ihre Ergebnisse, dass eine (biologische oder Modell-) Membran keine großen Mengen an PE haben muss, um fusogen zu sein; Alternativ können hohe Konzentrationen von Cholesterin, wie sie in Plasmamembranen gefunden werden, dazu führen, dass ein fusionsrefraktäres Lipid fusogen wird . In: Tenchov et al. kommentieren Sie, dass diese Situation mit den bekannten Auswirkungen von Cholesterin auf die Virusfusion und mit dem gemeldeten Bedarf an Cholesterin für eine schnelle und effiziente Fusion vereinbar ist, wie dies bei der Fusion und Exozytose kortikaler Seeigelgranulate der Fall ist .)

Tenchov et al. weisen auch darauf hin, dass die kubische Phasenbildung in (ungesättigten) PC/Cholesterin-Gemischen eine Reihe von Merkmalen aufweist, die denen, die zuvor für PE-Dispersionen beobachtet wurden, sehr ähnlich sind (vgl. Ref. ). Für beide Arten von Dispersionen sind die kubischen Phasen eng mit dem lamellaren zu inversen hexagonalen Phasenübergang verbunden, und ihre Bildung wird am einfachsten durch Abkühlen der inversen hexagonalen Phase induziert. Eine weitere gemeinsame Eigenschaft dieser PE- und PC/ Cholesterin (inversen) kubischen Phasen ist, dass ihre Bildung beschleunigt wird und nur in ausreichend verdünnten Lipiddispersionen vollständig ablaufen kann. (Aufgrund ihrer spezifischen geometrischen Struktur benötigen die inversen bikontinuierlichen kubischen Räume für ihre Entwicklung wässrige Volumina, die viel größer sind als die sogenannte Überwassergrenze, die für die vollständige Hydratation der lipidpolaren Gruppen benötigt wird (vgl. Ref. ).) Darüber hinaus sind die PC / Cholesterin-Lipid / Wasser-Systeme ähnlich wie die PEs in der Lage, alle drei Arten von inversen bikontinuierlichen kubischen Phasen Im3m, Pn3m und Ia3d zu bilden, abhängig vom Lipidgehalt in der Dispersion. Diese Forscher geben an, dass mit zunehmendem Lipidgehalt von 10% auf 50% (w / v) die (ungesättigten) PC / Cholesterin-Lipid / Wasser-Systeme zeigten eine kubische Phasenfolge Im3m → Pn3m → Ia3d, konsistent mit einem abnehmenden Wassergehalt dieser drei Phasen . (Diese Autoren stellen fest, dass in Übereinstimmung mit früheren Erkenntnissen von Templer et al. diese Phasenfolge scheint universell zu sein, obwohl nicht alle drei inversen bikontinuierlichen kubischen Phasen notwendigerweise in einem gegebenen Lipid / Wasser-System auftreten sollten.)

Schließlich Tenchov et al. erklären Sie, dass gesättigte PCs und Sphingomyelin in ternären (Lipid-) Gemischen bekanntermaßen zusammen mit Cholesterin in flüssig geordnete Domänen aufgeteilt werden. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass ungesättigte PCs, die von diesen starren Domänen ausgeschlossen sind, separate fusogene Domänen mit Cholesterin bilden könnten.

Solche Doppelwirkungen von Cholesterin könnten die scheinbar paradoxe Fähigkeit von Zellmembranen erklären, gleichzeitig starre, „Floß“ -ähnliche Flecken mit geringer Krümmung zu bilden, während sie immer noch in der Lage sind, eine leichte Membranfusion zu durchlaufen – wie bei der Endozytose . (Diese Autoren kommentieren auch, dass die tetracyclische Ringstruktur des Cholesterins starr ist und daher die Position der Hydroxylgruppe die vorherrschende Orientierung des Moleküls in einer Membrandoppelschicht bestimmt. Sie bemerken weiter, dass Cholesterin die einzigartige Eigenschaft unter Membranlipiden des schnellen Flip-Floppens hat, und wegen seiner kleinen (und nichtionischen) Kopfgruppe wird eine negative Krümmung durch eine Anhäufung von Cholesterin erleichtert. Dies erleichtert das Biegen, ein wesentliches Merkmal für Zellmembranen, insbesondere aber für solche, die mit der Oberflächenmembran der Zelle in Verbindung stehen .) In Anbetracht aller vorstehenden Argumente ist der signifikante Anteil von Cholesterin in „LCM /Nanopartikel-abgeleiteten“ Nanoemulsionsformulierungen (vgl. Abschnitte 17.1, 19.1, 21.2 und 22.2) können dementsprechend eine molekulare Grundlage für eine zusätzliche physikochemische Erleichterung (siehe unten) der zuvor beschriebenen rezeptorvermittelten Endozytose von „dispergierten Lipidmesophase-Nanopartikeln“ (siehe Abschnitt 20.3; vgl. Kapitel 16-19).

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