Сравнительный наномеханический анализ больших однослойных и мультивезикулярных липосом: от усталости мембраны до фрагментации под действием напряжения

Биогенные (экзосомы) и синтетические (липосомы) липидные везикулярные структуры широко применяются для доставки лекарственных препаратов. Яркий пример последних – синтетические липидные оболочки мРНК-вакцин Pfizer-BioNTech и Moderna. Наномеханические свойства липосом, доступные для исследования исключительно методом Атомно-Силовой Микроскопии (AFM), определяют, в частности, стабильность мембраны, время циркуляции в кровотоке и эффективность захвата терапевтического груза клетками. В то время как липосомы размером до 200 нм изучены достаточно подробно, существует серьезный пробел в исследовании наномеханики больших однослойных липосом (Large Unilamellar Vesicles (LUVs)) размером 200–1000 нм и мультивезикулярных липосом (Multivesicular Liposomes (MVLs)).
В данной работе проведен сравнительный наномеханический анализ LUVs и MVLs состава DOTAP:DOPE:Cholesterin (1:1:1) методом количественного картирования наномеханических свойств (PeakForce QNM AFM) и силовой спектроскопии. Обосновано применение зондов средней жесткости (0.18 – 0.25 Н/м) для визуализации наномеханических паттернов и обеспечения контролируемой деформации в сравнении с зондами малой жесткости (0.05 Н/м). Обнаружены принципиально отличные особенности внутренней организации и механизмы разрушения под действием механического напряжения. Циклы индентирования LUVs при 1 и 5 нН выявили “усталость мембраны” – везикулы претерпевали коллапс с потерей внутреннего объема и адгезией липидов на зонд. Напротив, MVLs продемонстрировали уникальный путь стресс-индуцированной фрагментации. Два цикла индентирования при 1 нН привели к высвобождению стабильных 200 нм нановезикул. Данный переход сопровождался двукратным снижением энергии диссипации кантилевера при сохранении постоянной адгезии, указывая на трансформацию в более стабильное состояние, обусловленное высокой кривизной мембран дочерних частиц. Показано, что дегидратация LUVs и MVLs вела к уплощению липидной структуры до 40 нм при исследовании на воздухе, и данная высота соответствовала прыжку в контакт кантилевера при исследовании липосом в жидкости. Для MVLs на картах адгезии и диссипации выявлен концентрический наномеханический отклик при идентичной внешней морфологии LUVs и MVLs.
Полученные данные расширяют понимание иерархической стабильности сложных липидных структур и предлагают методологическую основу для оценки механической выносливости крупноразмерных систем доставки лекарств.