Анализ клеточного поглощения и внутриклеточного движения наночастиц

Введение

Наночастицы (НЧ) представляют собой подкатегорию наноматериалов, которые в настоящее время находятся на переднем крае передовых исследований почти во всех мыслимых областях благодаря своим уникальным свойствам и огромной применимости [1,2,3,4]. В отчете RNCOS об исследовании рынка технологий под названием «Global NP Market Outlook 2020» сообщается, что рынок NP будет расти со среднегодовым темпом роста (CAGR) в размере 16% в течение 2015–2020 годов. Технология NP заняла уникальную нишу в области биомедицины и биотехнологии с ее быстро расширяющимся набором приложений [5, 6]. Например, НЧ применялись для доставки лекарств и генов [7, 8], биодетекции патогенов [9], обнаружения белков [10], тканевой инженерии [11, 12], визуализации опухолей и нацеливания [13], разрушения опухолей с помощью гипертермия [14] и контрастное усиление МРТ [15].

Благодаря своему небольшому размеру, НЧ могут легко проникать в клетки, а также перемещаться по клеткам, тканям и органам. НЧ широко используются в биомедицинских приложениях, поскольку они способны проходить через биологический барьер и проникать в клетку для выполнения своей функции. Однако, как палка о двух концах, потенциальные риски (т. Е. Побочные эффекты) НП также проистекают из этой способности [16, 17]. Несмотря на свой «маленький» размер, НЧ как полярные молекулы не способны диффундировать через клеточную мембрану (КМ). Поскольку CM в основном проницаема для небольших и неполярных молекул, NPs используют эндоцитотические пути для проникновения в клетки [18, 19]. Путь, которым НЧ проникают в клетку, является ключевым фактором, определяющим их биомедицинские функции, биораспределение и токсичность. В наномедицине безопасное проникновение НЧ в клетки является решающим шагом для достижения высокой терапевтической эффективности. Более того, внутриклеточный транспорт и судьба НЧ являются жизненно важным процессом для успеха НЧ, учитывая, что эти носители нацелены на конкретный субклеточный компартмент и доставляют специфические биомолекулы, такие как контрастные вещества, гены и лекарства [18, 20, 21, 22 ]. Что еще более важно, индукция цитотоксичности NPs определяется его входным путем и внутриклеточной локализацией. Следовательно, понимание клеточного поглощения и внутриклеточного переноса НЧ имеет решающее значение при разработке безопасных и эффективных наномедицинских препаратов [23].

Клеточное поглощение, нацеливание и внутриклеточный перенос НЧ можно оптимизировать путем настройки физико-химических свойств НЧ, таких как размер, форма и свойства поверхности [24]. Следовательно, знание основных механизмов, вовлеченных в клеточное поглощение, имеет решающее значение для оценки судьбы NPs и их токсичности. Этот обзор подчеркивает различные возможные пути захвата NPs и пути их внутриклеточного переноса. Кроме того, также рассматривается влияние физико-химических свойств НП, таких как размер, форма, заряд и химия поверхности, на его интернализацию клетками. Понимание физико-химических свойств НЧ по отношению к его клеточному механизму захвата позволит нам разработать функциональные НЧ, которые имеют решающее значение в биомедицинских приложениях, таких как доставка лекарственных препаратов в целевой участок действия контролируемым образом с минимальным токсическим воздействием на окружающие здоровые ткани. и органы.

Пути клеточного поглощения НЧ

CM, также известная как плазматическая мембрана, окружает цитоплазму, отделяя внутриклеточную жидкость от внеклеточной жидкости. CM чрезвычайно важен, поскольку он защищает внутриклеточные компоненты, поддерживает гомеостаз клетки, обеспечивает структурную поддержку и сохраняет состав клетки [25,26,27,28,29]. CM состоит из фосфолипидов, расположенных в бислой со встроенными белками. Эти фосфолипидные бислои с их гидрофильными головками и гидрофобными хвостами допускают проникновение небольших биомолекул. В частности, КМ представляет собой избирательно проницаемый барьер, контролирующий проникновение веществ в клетку [30, 31]. CM использует различные механизмы для обмена веществ, которые в основном делятся на две категории:пассивный транспорт и активный транспорт. Газы, такие как кислород и углекислый газ, гидрофобные молекулы, такие как бензол, и незаряженные молекулы, такие как вода и этанол, диффундируют через мембрану от областей с более высокой до более низкой концентрации. Этот вид переноса, который происходит вдоль градиента концентрации и происходит без помощи энергии, называется пассивным переносом. Напротив, активный транспорт происходит против градиента концентрации за счет использования энергии, которую обеспечивает аденозинтрифосфат (АТФ) [32,33,34,35,36].

Полярные или заряженные биомолекулы, которые не могут проходить через гидрофобную плазматическую мембрану, интернализуются с помощью формы активного транспорта, которая называется эндоцитозом. В этом процессе клетка поглощает материалы внутри внеклеточной жидкости посредством инвагинации CM и отрастает внутри клетки, образуя мембранно-ограниченную везикулу, называемую эндосомой [37]. Эндоцитоз можно разделить на две основные категории:фагоцитоз и пиноцитоз. Фагоцитоз (поедание клеток) - это процесс поглощения мусора, бактерий или других растворенных веществ большого размера специализированными клетками млекопитающих, называемыми фагоцитами (то есть моноцитами, макрофагами и нейтрофилами) [38, 39].

Неотъемлемой частью фагоцитоза является процесс, называемый опсонизацией, посредством которого опсонины, такие как иммуноглобулины и белки комплемента, покрывают целевые материалы, чтобы запустить фагоциты их присутствия и инициализировать фагоцитотическую активность [40]. Когда фагоцит начинает поглощать целевой материал, он одновременно стимулирует образование мембраносвязанной везикулы, называемой фагосомой, в которой проглоченные материалы разделены внутри фагоцита. На последних стадиях этого процесса фагосома сливается с лизосомой, и материалы перевариваются при кислом pH гидролитическими ферментами, содержащимися в просвете лизосомы [41,42,43].

Во всех типах клеток мелкие частицы в диапазоне нанометров интернализуются за счет пиноцитоза [44]. При пиноцитозе плазматическая мембрана, «пьющая клетку», образует впячивание, чтобы принять небольшую каплю внеклеточной жидкости, включая растворенные в ней молекулы. Пиноцитоз не является дискриминирующим процессом и происходит почти во всех клетках непрерывно, независимо от потребностей клетки. Захваченные вещества собираются в маленькие пузырьки, называемые пиносомами, которые сливаются с лизосомами для гидролиза или расщепления содержимого [45, 46]. Фагоцитоз и пиноцитоз можно отличить по размеру их эндоцитотических пузырьков; первые включают поглощение крупных частиц большими пузырьками размером 250 нм, а вторые охватывают поглощение жидкости через небольшие пузырьки размером в диапазоне от нескольких нанометров до сотен нанометров [42, 47]. Пиноцитоз можно подразделить на клатрин-опосредованный эндоцитоз, опосредованный кавеолами эндоцитоз, клатрин- и кавеол-независимый эндоцитоз и макропиноцитоз [48, 49].

Клатрин-опосредованный эндоцитоз - это механизм проникновения в клетки для интернализации определенных молекул в клетки. Этот путь входа помогает клеткам принимать компоненты плазматической мембраны и питательные вещества, включая холестерин через рецептор липопротеинов низкой плотности и железо через рецептор трансферрина [50,51,52,53,54,55,56]. В этом процессе определенные лиганды во внеклеточной жидкости связываются с рецепторами на поверхности CM, образуя комплекс лиганд-рецептор. Этот комплекс лиганд-рецептор перемещается в специализированную область CM, богатую клатрином, в результате чего они поглощаются посредством образования покрытых клатрином везикул. Попав внутрь клетки, клатриновые покрытия на внешней стороне пузырьков удаляются перед слиянием с ранними эндосомами. Груз внутри ранних эндосом в конечном итоге достигнет лизосом через эндолизосомный путь [40, 57,58,59,60]. Каждый тип NP интернализуется клеткой преимущественно путем поглощения. Например, НЧ, состоящие из сополимера молочной и гликолевой кислоты, D, L-полилактида и поли (этиленгликольактида) и кремнезема (SiO ₂ ) -основанные наноматериалы интернализуются клатрин-опосредованным эндоцитотическим путем [61]. Твердые липидные НЧ на основе кумарина интернализуются клетками через энергонезависимый путь, поскольку структура этих НЧ подобна CM. Все НЧ на основе липидов используют клатрин-опосредованный путь эндоцитоза [62]. Золотые НЧ, покрытые герцептином, проникают в клетку посредством рецепторно-опосредованного эндоцитоза посредством мембранного рецептора ErbB2 [63].

Эндоцитоз, опосредованный кавеолами, представляет собой путь проникновения в клетки, который включает в себя инвагинации мембран в форме колб, которые называются кавеолами (маленькие пещеры). Кавеолы ​​присутствуют в эндотелиальных клетках, эпителиальных клетках, адипоцитах, мышечных и фибробластных клетках [64, 65, 66, 67]. Размер кавеол обычно составляет от 50 до 80 нм и состоит из мембранного белка кавеолина-1, который придает им колбообразную структуру [68,69,70,71]. Кавеолозависимый эндоцитоз участвует в передаче клеточных сигналов и регуляции мембранных белков, липидов и жирных кислот [61, 64, 67]. Как только кавеолы ​​отделяются от плазматической мембраны, они сливаются с клеточным компартментом, называемым кавеосомами, который существует при нейтральном pH. Кавеосомы способны обходить лизосомы и, следовательно, защищать содержимое от гидролитических ферментов и лизосомальной деградации. Следовательно, патогены, включая вирусы и бактерии, используют этот путь проникновения для предотвращения разложения. Поскольку груз, проникший в клетки по кавеолин-зависимому механизму, не попадает в лизосомы, этот путь используется в наномедицине [54, 72,73,74].

Клатрин- и кавеол-независимый эндоцитоз происходит в клетках, лишенных клатрина и кавеолина. Этот путь используется гормонами роста, внеклеточной жидкостью, гликозилфосфатидилинозитолом (GPI) -связанными белками и интерлейкином-2 для проникновения в клетки. Например, фолиевая кислота, которая использует клатрин- и кавеол-независимый путь проникновения в клетки [58, 72, 75,76,77,78,79], конъюгирована с НЧ и полимерами, используемыми в системах доставки лекарств и в качестве агентов визуализации [53 , 80, 81]. Макропиноцитоз - это тип механизма пиноцитоза, при котором клетки поглощают большие объемы внеклеточной жидкости, образуя большие пузырьки (0,5–10 мкм), называемые макропиноцитами [82,83,84,85]. Макропиноцитоз - это путь интернализации апоптотических и некротических клеток, бактерий и вирусов, а также презентации антигена. Этот путь может интернализовать НЧ микронного размера, которые не могут попасть в клетки большинством других путей. Макропиноцитоз может возникать практически в любых клетках, за исключением эндотелиальных клеток микрососудов головного мозга [86,87,88,89]. НЧ проникают в клетку одним из этих эндоцитотических путей, как показано на рис. 1.

Поступление НЧ в клетку по различным эндоцитотическим путям. а Макропиноцитоз и фагоцитоз. б Клатрин-опосредованный эндоцитоз, клатрин-кавеолин-независимый эндоцитоз и опосредованный кавеолами эндоцитоз

Влияние физико-химических свойств NP на клеточное поглощение

Изучение влияния физико-химических свойств НЧ, таких как размер, форма, поверхностный заряд, гидрофобность / гидрофильность поверхности и функционализация поверхности, на клеточное поглощение имеет решающее значение, поскольку эти параметры напрямую влияют на уровень поглощения, эндоцитотический путь, а также цитотоксичность НЧ. [90, 91]. Физико-химические факторы, влияющие на поглощение НЧ клетками, показаны на рис. 2. В следующем разделе обсуждается влияние этих параметров на взаимодействия клеток с НЧ.

Физико-химические факторы, влияющие на клеточное поглощение NP. а Поверхностный заряд, b форма, c размер и d химия поверхности

Влияние размера

Размер NP является ключевым фактором, определяющим эффективность клеточного поглощения [92], а также его токсический потенциал для живых клеток [24]. Более того, было обнаружено, что размер NP также играет важную роль в определении пути захвата. Небольшие НЧ размером от нескольких до нескольких сотен нанометров попадают в клетки посредством пино- или макропиноцитоза. Было показано, что НЧ размером от 250 нм до 3 мкм обладают оптимальным фагоцитозом in vitro, тогда как НЧ размером от 120 до 150 нм интернализуются через клатрин- или кавеолин-опосредованный эндоцитоз, и максимальный размер НЧ при использовании этого пути длина волны 200 нм [47, 93]. В пути, опосредованном кавеолами, размер кавеол препятствует захвату более крупных НЧ [16, 17]. Определенный тип NP может использовать несколько путей эндоцитоза в зависимости от его размера.

Несколько исследований показали, что для клеточного поглощения НЧ существует оптимальный размер 50 нм, при котором НЧ интернализуются более эффективно и имеют более высокую скорость поглощения. Поглощение NP снижается для более мелких частиц (около 15–30 нм) или более крупных (около 70–240 нм) [94,95,96,97,98,99]. Кроме того, НЧ размером 30-50 нм эффективно взаимодействуют с рецепторами CM и впоследствии интернализуются через рецептор-опосредованный эндоцитоз [97]. При применении НЧ для доставки лекарств основная задача состоит в том, чтобы предотвратить удаление НЧ ретикулоэндотелиальной системой и продлить время их циркуляции в крови, тем самым увеличивая биодоступность в мишени. В связи с этим увеличение размера НП приведет к увеличению скорости клиренса [100,101,102,103,104,105]. Следовательно, понимание роли размера НЧ в захвате клетками имеет решающее значение для разработки эффективных и безопасных НЧ для медицинских приложений.

Хотя в различных исследованиях изучалась взаимосвязь между размером NP и путями захвата, полученные результаты всегда были противоречивыми [93, 106,107,108,109]. Эти противоречия могут быть связаны со сложностью управления другими параметрами NP в процессе управления размером. Кроме того, размеры НЧ, измеренные после синтеза, могут претерпевать изменения во время исследований in vitro и in vivo из-за агломерации и агрегации, которые, в свою очередь, могут влиять на пути интернализации клеток [110, 111]. Влияние размера частиц на клеточный путь поглощения в нефагоцитарных клетках B16 было исследовано с использованием различных размеров флуоресцентных латексных шариков в диапазоне 50–1000 нм [93]. Результаты показали, что механизм интернализации этих шариков в значительной степени зависит от размера частиц. В частности, гранулы размером 200 нм или меньше поглощались ямками, покрытыми клатрином, тогда как более крупные гранулы были интернализованы посредством кавеол-опосредованного эндоцитоза. Lai и др. [16] обнаружили, что небольшие полимерные НЧ размером менее 25 нм используют новый механизм достижения перинуклеарной области клеток через недеградационные везикулы вне эндо / лизосомного пути. Этот путь не связан с клатрином, не опосредуется кавеолами и не зависит от холестерина.

Было показано, что поглощение НЧ золота (Au) различного размера (от 2 до 100 нм), конъюгированных с Герцептин-AuNP, клетками SK-BR-3 зависит от размера. Наибольшая интернализация клеток наблюдалась для НЧ в диапазоне размеров 25–50 нм [63]. Было обнаружено, что при этом пути проникновения размер NP является детерминантой связывания и активации мембранных рецепторов и возможной экспрессии белков. Было оценено влияние изменения размера и формы коллоидных AuNP на внутриклеточное поглощение [112]. AuNP размером 14, 50 и 74 нм сферической и стержневой формы инкубировали с клетками HeLa. Было обнаружено, что поглощение NP сильно зависит от его размера и формы, и частицы размером 50 нм показали самую высокую скорость поглощения. Более того, поглощение сферических AuNP было на 500% больше, чем стержневых наночастиц аналогичного размера. Shan et al. [113] исследовали зависящую от размера силу эндоцитоза AuNPs диаметром 4, 12 и 17 нм клетками HeLa. Результаты показали, что значения силы захвата и развязывания увеличиваются с увеличением размера AuNP. Поглощение SiO ₂ НЧ разных размеров (50, 100 и 300 нм) клетками A549 (эпителиальные клетки легких) изучались с помощью комбинации проточной цитометрии, флуоресценции и электронной микроскопии. Эти исследователи показали, что поглощение SiO ₂ НП уменьшились в размере [114].

Эффект формы

Помимо размера, форма NP также играет ключевую роль в пути захвата, а также в транспортировке NP. Читрани и др. [112] изучали влияние формы коллоидных AuNP на поглощение клетками HeLa. Результат показал, что сферические AuNPs поглощают в пять раз больше, чем AuNP стержнеобразной формы. В другой работе те же исследователи исследовали уровень поглощения сферических и стержнеобразных AuNP, покрытых трансферрином, на трех разных клеточных линиях; Клетки STO, клетки HeLa и клетки SNB19 [94]. Они заметили, что сферические AuNP усваиваются всеми клеточными линиями с большей скоростью, чем AuNP стержневой формы.

Чтобы установить эффект формы in vivo, Geng и соавторы [115] использовали филомицеллы для оценки различий в транспортировке и перемещении гибких филаментов со сферами у грызунов. Результаты показали, что филомицел осталось в обращении примерно в десять раз больше, чем сферических аналогов. Более того, сферические филаменты легче интернализуются клетками, чем более длинные филаменты. Грэттон с соавторами [106] продемонстрировали влияние формы монодисперсных частиц гидрогеля на поглощение клетками HeLa. Они обнаружили, что НЧ в форме стержня имеют самый высокий уровень интернализации по сравнению со сферами, цилиндрами и кубами. В другом исследовании влияние формы НЧ на поглощение клетками было исследовано с использованием НЧ полистирола (PS) в форме диска, сферической и стержневой формы на клетках Caco-2. Результат показал, что стержневые и дискообразные НЧ были интернализованы в два раза выше, чем сферические НЧ. Они пришли к выводу, что доставка лекарств, опосредованная NP, может быть улучшена с учетом формы NP [116].

Сюй и соавторы [117] изучали влияние формы на клеточное поглощение путем приготовления слоистых наночастиц двойного гидроксида (LDH) с флуоресцеинизотиоцианатом (FITC) различной морфологии, таких как гексагональные листы (50–150 нм в поперечном направлении и 10–20 нм). толщиной) и стержней (шириной 30–60 нм и длиной 100–200 нм). Все морфологии были изучены посредством клатрин-опосредованного эндоцитоза. Наносфера LDH-FITC удерживалась в цитоплазме, тогда как наностержни LDH-FITC перемещались к ядру с помощью микротрубочек. Дасгупта и др. применили [118] моделирование, чтобы исследовать роль формы НЧ в клеточном поглощении. Они смоделировали обертывание мембраной наностержней и нанокубических наночастиц. Для стержневидных частиц они обнаружили стабильные эндоцитотические состояния с малой и высокой фракцией обертывания; приращение соотношения сторон было нежелательным для полного оборачивания. Нангиа и Сурешкумар [119] компьютеризировали влияние формы на скорость транслокации НЧ, применив передовые методы моделирования молекулярной динамики. Основным открытием исследования является значительное изменение скорости транслокации НЧ в форме конуса, куба, стержня, риса, пирамиды и сферы.

Эффект поверхностного заряда

Другим критическим фактором, влияющим на поглощение НЧ клетками, является поверхностный заряд. В последнее десятилетие наномодификация поверхности использовалась для создания поверхностного заряда наночастиц катионным или анионным [92]. Отрицательно заряженный CM увеличивает поглощение положительно заряженных НЧ. В частности, положительно заряженные НЧ обладают большей интернализацией, чем нейтральные и отрицательно заряженные НЧ [47, 120]. Однако поглощение положительно заряженных НЧ может нарушить целостность ЦМ и привести к увеличению токсичности [121, 122]. В целом положительно заряженные НЧ вызывают гибель клеток [123, 124]. Интересно, что нейтрально заряженные НЧ будут снижать клеточное поглощение по сравнению с отрицательно заряженными НЧ [110, 125, 126, 127]. Более того, интернализация отрицательно заряженных НЧ приводит к гелеобразованию мембран, в то время как положительно заряженные НЧ вызывают текучесть в КМ [128, 129]. В дополнение к скорости поглощения NP, поверхностные заряды также влияют на механизмы поглощения. Более конкретно, положительно заряженные NPs в основном интернализуются клеткой посредством макропиноцитоза, тогда как независимый от клатрина / кавеол эндоцитоз является механизмом поглощения отрицательно заряженных NP [130]. Пути поглощения клетками различаются, когда поверхность AuNP покрыта органическими молекулами. Например, простые AuNP, которые являются положительно заряженными, интернализуются через макропиноцитоз и клатрин и кавеолин-опосредованный эндоцитоз, в то время как отрицательно заряженные AuNP, покрытые полиэтиленгликолем (PEG), в основном интернализуются посредством опосредованного кавеолином и / или клатрином эндоцитоза [131] <. / P>

Ли и Гу [132] изучали взаимодействие заряженных и нейтральных НЧ с КМ с помощью моделирования молекулярной динамики. Было обнаружено, что заряженные НЧ обладают лучшей адгезией к КМ по сравнению с нейтральными НЧ. Более того, увеличивая плотность заряда НЧ, они могут быть полностью покрыты мембраной. Другая группа исследователей использовала моделирование молекулярной динамики для изучения взаимодействия катионных и анионных AuNP с CM. Результаты показали, что разрушение CM из-за проникновения AuNPs увеличивается по мере увеличения плотности заряда AuNPs [133]. Эти результаты предлагают способ управления взаимодействием между клетками и AuNP путем манипулирования плотностью поверхностного заряда AuNP для оптимизации его поглощения при минимизации цитотоксичности, которые являются важными характеристиками для любых NP, которые рассматриваются для биомедицинских приложений.

Ли и Мальмштадт [134] изучали взаимодействие положительно и отрицательно заряженных PS-NP с биологической мембраной. Результат показал, что сильное электростатическое взаимодействие между катионными НЧ и фосфатными группами мембраны приводит к усилению связывания НЧ с мембраной и поверхностному натяжению мембраны, что, в свою очередь, приводит к образованию пор. Сообщалось, что скорость поглощения положительно заряженных AuNP клетками SK-BR-3 в пять раз выше, чем отрицательно заряженных AuNP. Эти исследователи также выяснили, что положительно заряженные AuNP усваиваются неэндоцитозными путями, в то время как отрицательно заряженные AuNP поглощаются клетками посредством путей эндоцитоза [135].

Hauck et al. [107] исследовали поглощение золотых наностержней (AuNR) размером от 18 до 40 нм и поверхностным зарядом в диапазоне от +37 до -69 мВ клетками HeLa. Результаты показали, что для всех концентраций AuNR наибольшая интернализация в клетки HeLa была при поверхностных зарядах + 37 мВ, а наименьшая интернализация при -69 мВ. Huhn и соавторы [136] оценили заряд-зависимые взаимодействия коллоидных AuNP с различными клеточными линиями, такими как клетки фибробластов 3T3, мышиные клетки-предшественники нейронов C17.2 и эндотелиальные клетки пупочной вены человека. Результат показал, что для всех клеточных линий катионные AuNP имели более высокое поглощение, чем анионные аналоги. Они пришли к выводу, что поглощение клетками сильно зависит от знака заряда. Более того, исследование цитотоксичности показало, что вследствие более высокого поглощения положительно заряженными НЧ они проявляют более высокую токсичность, чем отрицательно заряженные.

Эффект гидрофобности

Гидрофобность НЧ является определяющим фактором их взаимодействия с КМ [92, 137]. Несколько исследований продемонстрировали влияние гидрофобности НЧ на их взаимодействие с КМ. Ли и др. [138] изучали влияние гидрофобности / гидрофильности НЧ на взаимодействие с КМ, используя моделирование молекулярной динамики. Результаты показали, что гидрофобные НЧ создают включения в КМ, в то время как гидрофильные НЧ адсорбируются на КМ. В другом исследовании метод моделирования был применен для изучения влияния гидрофобности на взаимодействие NP-клетки. Было замечено, что гидрофильные НЧ были обернуты, в то время как гидрофобные НЧ были встроены во внутреннее гидрофобное ядро ​​бислоев путем прямого проникновения в мембрану [139].

Взаимодействие QDNP со смешанными липидно-полимерными мембранами оценивали по изменению гидрофобной поверхности НЧ. Было обнаружено, что гидрофобные НЧ расположены внутри полимерных доменов в смешанном липидно-полимерном монослое мембран, тогда как гидрофильные КДНП адсорбируются на монослоях и распространяются повсюду, что указывает на более сильное влияние на упаковку молекул на границе раздела воздух / вода [140] . Изучено включение функционализированных AuNP со смешанными гидрофобными и гидрофильными лигандами в стенки липосом. Результат продемонстрировал, что гидрофобные лиганды взаимодействуют с гидрофобным ядром бислоя, в то время как гидрофильные лиганды взаимодействуют с водным раствором [141].

Эффект модификации поверхности

В биомедицинских применениях НЧ поверхностная химическая модификация НЧ является критическим шагом, используемым для снижения токсичности, повышения стабильности, а также для контроля и модуляции клеточной интернализации НЧ, следовательно, их биологической судьбы [142]. Функционализация поверхности наночастиц преимущественно включает ПЭГ, отрицательную карбоксильную (–COOH) группу, нейтральные функциональные группы, такие как гидроксильные (–OH) группы, и положительную аминогруппу (–NH2). Увеличение количества (–NH2) приводит к увеличению положительного поверхностного заряда и, следовательно, к увеличению поглощения НЧ клетками [143,144,145,146]. Точно так же функциональные группы –COOH увеличивают отрицательный заряд НЧ и, соответственно, усиливают его захват [144].

Тао и др. [147] разработали биоконъюгат NP-аптамера, функционализированный полидофамином, для нацеливания на опухоль. Они сообщили, что функционализированные НЧ обладают большей эффективностью нацеливания по сравнению с нефункционализированными НЧ, что указывает на более высокие скорости клеточного поглощения функционализированными НЧ, что приводит к усиленному терапевтическому эффекту. В другом исследовании НЧ, функционализированные фолиевой кислотой, продемонстрировали более высокую эффективность в нацеливании на клетки рака шейки матки, чем нефункционализированные НЧ [148]. Влияние поверхностного покрытия на токсичность и клеточное поглощение AuNP было изучено Qiu и соавторами [90]. Они показали, что покрытие поверхности является ключевым фактором в определении скорости поглощения клетками, поскольку AuNR, покрытые поли (диаллилдиметиламмонийхлорид), показали более высокую эффективность при интернализации клетками.

Различия в поглощении клетками чистого полистирола (PS-NP) и амино-функционализированных NP полистирола были исследованы Jiang и соавторами [149]. Результаты продемонстрировали, что аминофункциональные НЧ полистирола имеют более высокую скорость поглощения, чем ПС-НЧ, причем первые интернализуются в основном через клатрин-опосредованный путь, а вторые - через клатрин-независимый эндоцитоз. Это замечательное различие подчеркивает ключевую роль химической модификации поверхности в клеточных взаимодействиях с НЧ. Фуллерен с модифицированной поверхностью, C ₆₀ ( С ( COOH ) ₂ ) ₂ НЧ интернализовались клетками преимущественно посредством эндоцитоза в зависимости от времени, температуры и энергии. Клатрин-опосредованный эндоцитоз оказался предпочтительным путем интернализации C ₆₀ ( С ( COOH ) ₂ ) ₂ НП [150].

Эффект эластичности

Эластичность NPs является внутренним фактором, влияющим на ее интернализацию клетками. Эластичность НП можно объяснить его сопротивлением изменениям при приложении к нему сил. Жесткость, твердость и жесткость - это некоторые из терминов, которые являются синонимами при описании эластичности НП. Индекс измерения, который используется для измерения эластичности НП, представляет собой модуль Юнга, а единицей измерения является Паскаль (Па). На основании этого измерения более высокое значение модуля Юнга означает более высокую эластичность НП и наоборот. Примерами аналитических устройств или инструментов, которые используются для измерения этого значения на НЧ, являются атомно-силовой микроскоп, реометр и наноиндентор. НЧ с более высокими значениями упругости называются твердыми НЧ, примерами таких НЧ являются золотые НЧ, квантовые точки и магнитные НЧ. НЧ с более низкими значениями эластичности называются мягкими НЧ. Примерами таких НЧ являются гидрогели, липосомы и биоразлагаемые полимеры.

Многочисленные исследования, посвященные этому параметру NP в отношении клеточного поглощения, сообщили о предпочтении клеток более эффективно усваивать более жесткие NP по сравнению с более мягкими [151, 152]. Очевидно, это наблюдение объясняется меньшим общим расходом энергии мембранами при обертывании более жестких НЧ по сравнению с более мягкими НЧ, даже несмотря на то, что энергия деформации, необходимая для обертывания НЧ, изменяется на протяжении процесса интернализации. Более того, компьютерное моделирование обертывания мембраны НЧ с различной эластичностью, проведенное с использованием моделирования крупнозернистой молекулярной динамики (CGMD), согласуется с экспериментальным наблюдением относительно изменений энергии деформации, участвующих в интернализации жестких и мягких НЧ [153]. However, there are also other studies that have reported on softer NPs being internalized more efficiently than stiffer NPs [154, 155] and intermediate elastic NPs internalized more efficiently compared to either stiff or soft NPs [156]. Hence, tuning the elasticity of NPs for better cellular internalization could be a valuable tool in biomedical applications such as drug delivery. A potential application was demonstrated by Guo and coworkers, whereby accumulation of nanolipogels in tumour cells were enhanced primarily by controlling this parameter of NP [157].

Intracellular Trafficking of NPs

In the previous sections, different possible uptake pathways of NPs and the parameters that affect the efficacy of uptake has been discussed. Following uptake, the next crucial matter is the intracellular trafficking of NPs which determines its final destination within cellular compartments, its cytotoxicity and its therapeutic efficacy [158, 159]. After NPs are internalized by the cells, they will first encounter membrane-bound intracellular vesicles called early endosomes. Endosomes formed at the plasma membrane are categorized into three types; early endosomes, late endosomes and recycling endosomes [106, 160,161,162,163].

Early endosome ferries the cargo to the desired cellular destination. Part of the cargo is recycled to the plasma membrane via recycling endosomes. Early endosomes transform into late endosomes via maturation and differentiation process. The late endosomes will then integrate with lysosomes to form endolysosomal vesicles and hydrolytic enzymes contained within these vesicles degrade the trapped NPs [18, 164,165,166]. However, some NPs are able to escape this pathway and are released into the cytoplasm therefore bypassing the lysosomal degradation process [167,168,169]. Another intracellular degradation pathway which plays important role in the intracellular fate of NPs is an intracellular process called autophagy [170,171,172]. In this process, cytoplasmic contents will be surrounded by autophagosome and delivered to the lysosome to be broken down and recycled [173]. In addition, aggregated proteins and dysfunctional organelles are degraded by autophagy to maintain cellular homeostasis. It is necessary to consider this pathway since recent studies demonstrated that several NPs are capable of inducing autophagy [174,175,176,177,178].

The intracellular trafficking of Tat peptide-conjugated quantum dots (Tat-QDs) in live cells was studied by Ruan and co-workers [179]. Dynamic confocal imaging showed that Tat-QDs interacted with negatively charged CMs leading to its internalization by macropinocytosis. The QD containing vesicles were observed to be actively transported by molecular motors towards the perinuclear region known as the microtubule-organizing center (MTOC). Tat-QDs bind to cellular membrane structures such as filopodia and vesicle shedding results in releasing QD-containing vesicles from the tips of filopodia.

The uptake and intracellular fate of fluorescent carboxylated polystyrene particles (20 nm and 200 nm in diameter) were evaluated by applying it on hepatocyte [180]. It was found that the particles were internalized by hepatocytes in size, time and serum-dependent manner. The fate of the particles was studied and they were not observed in early endosomes or lysosomes, but only in the mitochondria of the hepatocyte. Particles accumulated inside bile canaliculi show that NPs can be eliminated within bile. A study on the uptake and intracellular fate of silver NPs into human mesenchymal stem cells demonstrated that they agglomerate in the perinuclear region [181]. It was observed by using fluorescent probes that particles are contained within endo-lysosomal structures but not in the cell nucleus, endoplasmic reticulum or Golgi complex. Confocal imaging of FITC conjugated titania nanotubes in mouse neural stem cells revealed that they have crossed the karyotheca entering the cell nucleus [182]. Single-walled carbon nanotubes were observed to enter the cytoplasm and localize in the cell nucleus leading to cell mortality [183]. Translocation of AuNRs towards the nucleus has also been reported [184].

Conclusions

The application of NPs in the modern world is growing at an exponential rate as the scientific enterprise is looking for novel ways to address current problems. NPs can be found as active ingredients in many formulations intended for human consumption, from cosmetics to processed foods. As its application increases in consumer products, so does human exposure to NPs. Hence, more research should be carried out to understand its potential hazards to humans and other living beings. In this review, we have looked at the current knowledge on the effects of NPs at a cellular level. Some of the topics discussed include cellular pathways of NPs and the influences of physiochemical properties of NPs on the uptake rate and uptake mechanism.

Сокращения

ATP:

Adenosine triphosphate

CAGR:

Compound annual growth rate

CM:

Cell membrane

FITC:

Fluorescein isothiocyanate

GPI:

Glycosylphosphatidylinositol

LDH:

Layered double hydroxide

MTOC:

Microtubule-organizing center

NP:

Nanoparticle

PEG:

Полиэтиленгликоль