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不同浓度的DLin在不同辅助磷脂DOPE和DOPC中的变化

发布时间:2021-12-16   点击次数:638次

2020年12月9日,PCCP(phys.chem.chem.phys)期刊发表文章《DOPC versus DOPE as a helper lipid for gene-therapies: molecular dynamics simulations with DLin-MC3-DMA[1]。该文章使用分子模拟手段分析使用同一种阳离子脂质DLin-MC3-DMA与两种不同的辅助磷脂(DOPC和DOPE)构建两种脂质体体系进行模拟。分析两种合成磷脂形成的脂质体差异。为将来理性化设计脂质体提供可行性。

摘要:

可电离阳离子脂质是基因治疗递送系统脂质纳米颗粒 (LNP) 的重要组成成分。 DLin-MC3-DMA 是有前途的可电离阳离子脂质(或胺脂质)之一。根据它们在药物中的应用,在包裹核酸的LNP中还包含各种辅助脂质,例如磷酸化和聚乙二醇化脂质、胆醇等。由于其复杂的成分,这些基因疗法中应用的LNP结构改进较为困难,并且尚未确定每种脂质在LNP的药理作用。在这项工作中,构建了DLin-MC3-DMA中性形式的原子模型,并进行了全原子模型行下的分子动力学 (MD) 模拟,以研究LNP中合成磷脂头部基团对细胞膜可能存在的影响。在中性条件下( pH = 7.4)构建并模拟了含有两种不同摩尔比的 DLin-MC3-DMA(5%和15%)的DOPC及DOPE 脂质的双层。MD轨迹分析结果显示DOPE脂质头部基团与DLin-MC3-DMA尾部密切相关,而DOPC脂质的头部基团未观察到这种显著关联。此外,DOPE和DLin-MC3-DMA之间较强的联系导致DLin-MC3-DMA固定在膜表面。脂质之间的相互作用减慢了两个双层膜体系的横向扩散,其中在含有DOPE的体系中观察到扩散速率的降低更为显著。这也解释利用磷脂酰乙醇胺构建的脂质体双层膜(DOPE/DLin-MC3-DMA)具有较低的水渗透性,并且可能与其较差的转染特性有关。

图片1.png

图1:分子动力学模拟的脂质. (a) DLin-MC3-DMA. (b) 构建DLin-MC3-DMA力场参数的部分. (c) DOPC,18:1 (Δ9 – cis) PC. (d) DOPE, 18:1(Δ9 – cis) PE.

模拟方法:

1. DLin-MC3-DMA模型的参数化

DLin-MC3-DMA模型参数的构建参考了多不饱和磷脂相同的原理,由于LNP周围的环境通常为中性,因此设置总电荷为零以模拟中性条件下的可电离阳离子脂质的模型,MD模拟过程中并不会用到该化合物的电离状态。

参考已有的用于多不饱和磷酸酯的SLipids力场(FF)推导DLin-MC3-DMA的力场参数。SLipids FF的一般形式为:

EFF = Ebonded + Enon-bonded

Ebonded = Eangles + Edihedrals + Ebonds + EUrey–Bradley

Enon-bonded = ELennard-Jones + ECoulomb

本研究中,重点是计算阳离子脂质的头部基团的电荷以及二面体参数,而脂质尾部的二面体参数可以直接调用SLipids FF中已知的不饱和脂质中的参数,脂质尾部的电荷参考已有电荷进行略微调整即可。

由于DLin-MC3-DMA的全原子量化计算所需的时间较长,计算机内存要求较高,为了便于计算,使用高斯gaussian09软件,利用B3LYP方法,CC-pVTZ基组以及RESP静电势约束方法对DLin-MC3-DMA的等效小模型(图1b)进行了电荷计算。在IEFPCM模型中,脂质体的头部基团被放置在介电常数为78.4的可极化连续体系中,模拟溶剂效应以及对电荷分布的诱导极化。具体电荷参数可在support文件中查阅。

在计算出部分原子电荷后,参考之前的SLipids FF相同的原理推导出新的二面体参数。二面角参数可以在support文件图S2中查阅。与多不饱和脂质的力场参数一样,原始分子使用二阶Møller–Plesset扰动原理以及CC-pVDZ基组进行优化,在-180度到180度的区间里,设置10度为步长,保持其他自由度不变,通过围绕二面角旋转优化分子。为了计算不同角度的构象下的相对量子力学能量,采取了相互作用能的混合方法(HM-IE),关系是为:

ECCSD(T)/BBS = ECCSD(T)/SBS + ECCSD(T)/BBS − ECCSD(T)(SBS) ≈ ECCSD(T)/SBS + EMP2/BBS − EMP2/SBS

其中MP2表示二阶Møller–Plesset扰动原理,CCSD(T)是耦合簇理论中的耦合簇单双和微扰三激发方法。SBS表示小基组(cc-pVDZ),BBS表示大基组(cc-pVQZ)。

完成高阶量子化学计算后,所得值可以利用如下方程拟合二面体势:

Edihedral = (ECCSD(T)/BBS − EMD) − (ECCSD(T)/BBS − EMD)min

这里的EMD表示势能的值,利用MD软件,设置二面角的参数设置为0时可以得到EMD的值。二面体拟合的极限约为 2 kJ/mol。此外,新计算得到的二面体势能用于新型阳离子脂质,并在其力场文件中新增CTL6、NL和CL2原子类型。其他 FF 参数,例如键的参数、二面角的缺失值以及Urey-Bradley和角度参数均取自SLipids FF和CHARMM36 FF中已有的原子类型(CTL5、NH3L 和 CTL2)

2. 分子模拟参数设置

模拟体系详见表一,首先,构建了两种脂质双分子层,一种*由DOPC组成,一种*由DOPE构成。每个双层膜都由100个包含两个磷脂的膜单体组成,一个处于直立,一个处于倒立(非镜像对称)。构建好的两种双层膜用于构建不同含量的DLin-MC3-DMA的膜,在选定好的位置(距离10A)的磷脂双层膜中,删除磷脂,插入优化后的DLin-MC3-DMA分子代替。

表1 模拟体系组分

Lipid

PCs/PEs的数目

DLin-MC3-DMA数目

水分子数目(TIP3P

DOPC

190

10

8000

DOPC

170

30

8000

DOPE

190

10

8000

DOPE

170

30

8000

DOPC(pure)

200

0

8000

DOPE(pure)

200

0

8000

每个创建好的模拟系统在NPT系综下平衡 300 ns,然后再平衡模拟300 ns。模拟体系采用 1个标准大气压的压力并且使用Berendsen恒压器进行压力耦合,温度设置恒定,保持在 298 K。算法采用牛顿运动方程式,设置步长为 2 fs 的leap-frog,采用截断半径为1.2nm的范德华式Verlet截断方案。键长使用 LINCS 算法进行 12 次迭代限制。MD模拟和所得轨迹的分析是使用gromacs-4.6.7软件完成的。

3. 动力学模拟优化设置

对DLin-MC3-DMA的4个体系进行经典的MD平衡模拟,确定能量最小化,体系达到稳定。对于每个脂质双层,创建了5种不同的模拟起始条件。这些设置用于对每个脂质双层进行 5 次平行的动力学模拟。

广义坐标值 (CV) 被选为水分子质心与脂质双层之间距离(见图 2)。 高斯函数的高度为 1.2 kJ mol−1。 它们的宽度为 0.05 nm(参数 σ),每 500 步(参数 PACE 的值)沉积一次。 由于水分子的小尺寸,偏差因子γ被设置为10.0。

图片2.png

图2 初始动力学模拟的广义坐标。 红色小分子是水分子,青色分子是脂质。 为清楚起见,省略了所有其他水分子。 “CV”是坐标值,“PMF”是自由能势能面。

所有模拟都是在NVT系综中,恒温298K下,使用V-rescale热浴进行。牛顿运动方程的积分器是跳跃式的,采用时间步长为 2 fs 和Verlet截断方案,其中截止半径为 1.2 nm。 LINCS 算法被用于约束 12 次迭代的键长。 用作MD模拟的软件是 gromacs-4.6.7,用于自由能计算的 plumed-2.1.262。 每次模拟进行150 ns。

结果与讨论

3:系统截取的一帧快照:正面视图和体系顶部的视图。(a) DOPC和5%的DLin-MC3-DMA (b) DOPE和5%的DLin-MC3-DMA(c) DOPC 和 15% 的 DLin-MC3-DMA 和 (d) DOPE 和 15% DLin-MC3-DMA。磷脂以青色显示磷以深石灰色球体显示。DLin-MC3-DMA 以深蓝色显示。图片采用VMD软件绘制

在(a)和(b)中,分别在 DOPC 和 DOPE 膜中 DLin-MC3-DMA 的定位没有观察到显着差异:DLin-MC3-DMA均位于靠近双层膜表面的位置。 图 3(c) 和 (d) 展示了磷脂含量较低的体系中,DLin-MC3-DMA 表现出偏好位于具有 DOPE 的膜表面,而在 DOPC 的情况下,DLin-MC3-DMA在很大程度上分布在双层的中心。

表2 脂质体中各组分的横向扩散速度(10-7cm2s-1

System

PCs/PEs的横向扩散速度

DLin-MC3-DMA的横向扩散速度

DOPC+5%DLin-MC3-DMA

1.15±0.40

1.01 ± 0.45

DOPC+15%DLin-MC3-DMA

0.94±0.40

0.65 ± 0.40

DOPE+5%DLin-MC3-DMA

1.00±0.45

1.15 ± 0.30

DOPE+15%DLin-MC3-DMA

0.66±0.45

0.55 ± 0.20

DOPC(pure)

0.98±0.42

-

DOPE(pure)

1.20±0.42

-

在含有DOPC的系统中,当DLin-MC3-DMA的量增加时,DOPC的扩散以及DLin-MC3-DMA的扩散都会减慢。 在含有 DOPE 的系统中,添加DLin-MC3-DMA比含有 DOPC的膜更显着地降低了两种脂质的扩散。 这可以被认为是含有 DLin-MC3-DMA 和 DOPE的 LNP 在质粒 DNA 递送中没有表现出高转染效率的原因,因为在DNA递送过程中,横向扩散和膜融合是重要的因素。

脂质体大小以及膜厚度

System

脂质体面积

膜厚度

DOPC+5%DLin-MC3-DMA

70.98 ± 0.3

33.9 ± 0.1

DOPC+15%DLin-MC3-DMA

73.01 ± 0.3

33.1 ± 0.1

DOPE+5%DLin-MC3-DMA

63.52 ± 0.3

37.0 ± 0.1

DOPE+15%DLin-MC3-DMA

68.46 ± 0.4

33.7 ± 0.1

DOPC(pure)

69.00 ± 1.2

35.6 ± 0.1

DOPE(pure)

63.35 ± 1.0

38.2 ± 0.1

根据该表,含有DOPC的膜比含有DOPE的膜具有更高的脂质体面积。 随着DLin-MC3-DMA摩尔比的增加,每个脂质的平均面积也会增加。 在使用DOPE的体系中,与纯膜相比,每个脂质的平均面积增长高于使用DOPC的系统。 然而,表3中的值对于每个脂质头部基团并不精确,因为DLin-MC3-DMA的脂质尾部可能出现在表面,并且在某些帧中,整个阳离子脂质可能位于膜的中心,而不出现在双层表面。 可以从每个脂质的面积值得出的结论是,模拟框在DLin-MC3-DMA摩尔比为15 %时变得更宽。

图片4.png

图4质量密度分布图:(a) DOPC 和 (b) DOPE。 “Pure”代表仅含有磷脂的脂质双层,+5% DLin-MC3-DMA 意味着它是5%的MC3,+15% DLin-MC3-DMA 意味着它是 15% 的MC3.

图4展示了模拟系统以及含有纯磷脂的脂质双层的质量密度分布。 随着 DLin-MC3-DMA 浓度的增加,图中 (a) 和 (b) 部分都表现出相同的质量密度峰值向双层中心移动的趋势。 这可以解释为双层变薄,因为质量密度的最高值与脂质头部集团的位置有关(计算的膜厚度值见表3)。 然而,为了获得脂质分子各个部分所在位置的准确图片,应计算这些部分对质量密度分布的贡献。

图片5.png

 5 质量密度分布:(a)DOPC 和 5% 的 DLin-MC3-DMA,(b)DOPE 和 5% 的 DLin-MC3-DMA,(c)DOPC 和 15% 的 DLin-MC3- DMA 和 (d) DOPE 和 15% 的 DLin-MC3-DMA。粉红色区域显示磷脂的 PO4 头部基团的位置。 DLin-MC3-DMA (h) 和 DLin-MC3-DMA (t) 分别表示脂质的头部和尾部。在表示 DLin-MC3-DMA 结构的图像上,用于计算部分分子质量密度的部分用红色圆圈表示。为了获得“可比较”的轮廓,仅从头组中取出氮和两个碳进行计算,而从尾组中取出带有氢的碳进行计算。从图中磷脂的结构来看,PO4-基团被认为是脂质头部基团的代表,而尾部则用尾部末端的CH3-基团表示。 DLin-MC3-DMA 的部分以不同的方式着色:浅灰色 - 氢,深灰色 - 碳,蓝色 - 氮和红色 - 氧。黑色虚线表示 PO4 基团质量密度的最大值点。

图5显示了两种脂质的头部和尾部对质量密度分布的贡献。在DLin-MC3-DMA的低浓度 (5 mol%) 可以观察到两种磷脂的分布差异(图 5(a)和(b)):DLin-MC3-DMA 尾部的峰位置位于DOPE头部区域,而在DOPC的情况下,该峰出现在磷脂尾部区域。 DLin-MC3-DMA的头部基团“更喜欢”位于 DOPC 和 DOPE 膜中的磷脂头之间。

当DLin-MC3-DMA的量为 15 mol%(图 5(c)和(d))时,DLin-MC3-DMA 尾部的峰移到 DOPE 头部基团的区域外。在 DOPC 膜中,与含有 5 mol% 胺脂的脂双层相比,该峰的位置没有改变。此外,与含有 DOPE 的脂质双层相比,位于 DOPC膜中心的DLin-MC3-DMA尾部数量更多。DLin-MC3-DMA的头部“更喜欢”位于磷脂头部的区域,但在含有 DOPC 的膜中,即使在脂双层的中心也检测到少量。 DLin-MC3-DMA 的这种位置与 Ramenzapour等人在模拟 DLin-KC2-DMA 以及POPC 和胆醇,处于中性 pH 值下观察到的位置略有相似。

然而,脂质并不是模拟系统中存在的分子。由于它们的运动,水的运动会受到影响。水也可以渗透膜。在纯磷脂双层中,在双层中心没有检测到大量的水,但DLin-MC3-DMA的添加改变了膜的渗透。例如,5 mol% 的量使 DOPE 脂质膜具有渗透性,而在 DOPC 的情况下,渗透性更可忽略不计。在较高浓度的 DLin-MC3-DMA (15 mol%) 情况下,情况正好相反,含有DOPC的双层的水渗透率高于含有 5 mol% 胺脂质时的水渗透率,而对于含有 DOPE 的膜双层中心水的质量密度几乎为零。

这些发现表明,在 DLin-MC3-DMA 的低浓度下,脂质尾部甲基的质量密度峰值出现在 PO4 基团区域内(图 5(b))。这种少量疏水部分的位置可能是质子转移中断的原因,因为在纯磷脂双层中,根据 Brändén 等人和 Yamashita 等人的说法,磷酸基团具有“质子收集效应”此外,磷脂酰碱头部基团周围的水分子与磷脂酰乙醇胺头部基团周围的水分子没有相同的优先取向。因此,与具有 DOPC 的脂质双层相比,外来 CH3 基团的存在更能导致 DOPE 膜中的孔形成。

在含有 DOPC 的脂质双层中,当含有 15 mol% 时,随着DLin-MC3-DMA浓度的增加,水渗透率略高。这与少量 DLin-MC3-DMA 的头部基团位于由DOPC组成的膜的中心有关(图 5(c))。这些头部基团可以起到水分子通过膜的“转运体”的作用。在含有等量 DLin-MC3-DMA 的DOPE的脂质双层中,水渗透的降低可以通过 DLin-MC3-DMA 脂质尾部位置的轻微变化来解释。DLin-MC3-DMA的甲基最大质量密度分布向 DOPE 的羰基转移,这可以在该区域产生疏水层并防止水进入膜。

我们只能推测这些关于分子不同部分对质量密度的影响,在较高浓度的DLin-MC3-DMA下缓慢的横向扩散可能与强相互作用有关,也可能与磷脂的头部基团有关。特别是,在具有 DOPE脂质尾部的膜中,DLin-MC3-DMA似乎与磷脂头部相关联。为了阐明这一点,我们计算了两个组分之间的径向分布函数(RDF)。

图片6.png

 6 磷脂和 DLin-MC3-DMA 头中原子对之间的 RDF。 (a) 来自 DLin-MC3-DMA 的氧与来自 DOPC 的 CH3 基团的氢/来自 DOPE 胺基团的氢之间的 RDF。 (b) 来自 DLin-MC3-DMA 的氧与来自 DOPC/DOPE 中甘油基团的 CH2 基团的氢之间的 RDF。 部分磷脂按以下方式着色:青色-碳,蓝色-氮,黄色-磷,红色-氧,灰色-氢。 DLin-MC3-DMA 的部分以不同的方式着色:浅灰色-氢,深灰色-碳,蓝色-氮和红色-氧。

图片7.png

 7 磷脂头部和DLin-MC3-DMA尾部原子对之间的RDF。(a)DLin-MC3-DMA中标记为“a”的碳与来自DOPC的CH3基团的氢/来自DOPE的胺基团的氢之间的RDF。 (b) DLin-MC3-DMA 中标记为“b”的碳与来自 DOPC 的 CH3 基团的氢/来自DOPE的胺基团的氢之间的 RDF。(c) DLin-MC3-DMA 中标记为“c”的碳与来自 DOPC 的CH3基团的氢/来自 DOPE 的胺基团的氢之间的 RDF。(d) DLin-MC3-DMA 中标记为“d”的碳与来自 DOPC 的 CH3 基团的氢/来自 DOPE 的胺基团的氢之间的RDF。部分磷脂按以下方式着色:青色-碳,蓝色-氮,黄色-磷,红色-氧,灰色-氢。DLin-MC3-DMA的部分以不同的方式着色:浅灰色-氢,深灰色-碳,蓝色-氮和红色-

 

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