Клеточный захват и внутриклеточный траффикинг наночастиц: механизмы, физикохимические драйверы и клинические импликации

Аннотация

Наука наночастиц (НЧ) трансформирует исследования по дисциплинам и позволяет новые технологические платформы, особенно в наномедицине, где НЧ служат диагностическими и терапевтическими инструментами. В то время как выгоды существенны, опасения по поводу краткосрочных и долгосрочных эффектов на человека сохраняются. Этот обзор синтезирует ключевые исследования путей клеточного захвата НЧ, внутриклеточного траффикинга и влияния физикохимических свойств — размера, формы, заряда и поверхностной химии — на механизмы захвата и биологические исходы.

Введение

Наночастицы стали центральными для передового исследования благодаря их уникальным свойствам и огромной применимости по полям. Согласно Global NP Market Outlook 2020, рынок НЧ прогнозируется расти с CAGR 16% между 2015 и 2020 годами, подчеркивая его расширяющееся влияние. В биомедицине НЧ используют для доставки препаратов и генов, детекции патогенов, визуализации белков, тканевой инженерии, визуализации опухолей, гипертермической терапии и усиления МРТ контраста.

Малая размерность НЧ позволяет им проходить через клеточные и тканевые барьеры через эндоцитоз, однако эта самая способность поднимает проблемы безопасности, так как захват НЧ может влиять на биодистрибуцию, терапевтическую эффективность и токсичность. Путь клеточного входа диктует судьбу НЧ и цитотоксический потенциал, делая необходимым понимание эндоцитических маршрутов и внутриклеточного траффикинга для безопасного дизайна наномедицин.

Оптимизация дизайна НЧ — путем настройки размера, формы, поверхностного заряда и химии — может усилить таргетирование, снизить токсичность и улучшить терапевтические исходы. Этот обзор детализирует пути клеточного захвата, внутриклеточные маршруты и как физикохимические черты НЧ формируют эти процессы, предоставляя основу для рационального дизайна НЧ в биомедицинских приложениях.

Пути клеточного захвата НЧ

Плазматическая мембрана (ПМ) защищает внутриклеточные компоненты и регулирует молекулярный трафик. Малые, неполярные молекулы проходят пассивно, в то время как полярные или заряженные молекулы требуют активного транспорта, преимущественно через эндоцитоз. Эндоцитоз делится на фагоцитоз — поглощение крупных обломков специализированными фагоцитами — и пиноцитоз — поглощение внеклеточной жидкости и растворенных молекул всеми типами клеток.

Пиноцитоз подразделяется на клатрин-зависимый, кавеола-зависимый, клатрин- и кавеола-независимый и макропиноцитоз пути. Клатрин-зависимый захват включает лиганд-рецепторное связывание, формирование клатринового покрытия и слияние везикул с ранними эндосомами, в конечном счете достигая лизосом через эндо-лизосомальный путь. Многие классы НЧ, включая PLGA, полилактид, PEG-покрытый лактид и силику, предпочтительно входят в клетки через клатрин-зависимые маршруты.

Кавеола-зависимый эндоцитоз использует колбообразные кавеолы (~50–80 нм), богатые кавеолином-1, позволяя грузу обходить лизосомы и избегать деградации — особенность, эксплуатируемая патогенами и наномедицинами. Клатрин- и кавеола-независимые маршруты, используемые молекулами вроде фолиевой кислоты, позволяют альтернативные пути входа. Макропиноцитоз позволяет захват больших объемов жидкости и микрон-размерных частиц, активен в большинстве клеток кроме эндотелия мозговых микровенидов.

Влияние физикохимических свойств НЧ на клеточный захват

Размер, форма, поверхностный заряд, гидрофобность и поверхностная химия коллективно управляют взаимодействием НЧ с ПМ, определяя эффективность захвата, маршрут и цитотоксичность. Рисунок 2 визуализирует эти отношения.

Размер

Размер НЧ диктует режим захвата и цитотоксический потенциал. Частицы <200 нм благоприятствуют клатрин- или кавеола-зависимому захвату, в то время как более крупные частицы (>250 нм) захватываются через фагоцитоз или макропиноцитоз. Оптимальный захват часто происходит около 50 нм; размеры ниже 15–30 нм или выше 70–240 нм показывают сниженную интернализацию. В доставке препаратов более крупные НЧ быстрее очищаются ретикулоэндотелиальной системой, сокращая время циркуляции. Однако экспериментальные несоответствия возникают из-за эффектов агрегации и вариаций типа клеток.

Форма

Форма сильно влияет на скорости захвата. Сферические НЧ последовательно демонстрируют более высокую интернализацию чем стержневидные аналоги по множеству клеточных линий. Филомицеллы — гибкие филаменты — показывают удлиненное циркулирование и сниженный захват по сравнению со сферами in vivo. Вычислительные и экспериментальные исследования подтверждают, что соотношение сторон, стержень против диска или куба геометрия и поверхностная кривизна модулируют энергию оборачивания мембраны и эффективность захвата.

Поверхностный заряд

Положительно заряженные НЧ сильно взаимодействуют с отрицательно заряженной ПМ, усиляя захват через макропиноцитоз и кавеола/клатрин пути, но также увеличивая разрушение мембраны и цитотоксичность. Отрицательно заряженные НЧ демонстрируют более низкий захват, но могут индуцировать геляцию мембраны; нейтральные НЧ показывают промежуточное поведение. Плотность поверхностного заряда диктует силу связывания и оборачивание мембраны, как демонстрировали МД моделирования.

Гидрофобность

Гидрофобные НЧ встраиваются в ядро билипидного слоя, тогда как гидрофильные НЧ адсорбируются на поверхности, влияя на упаковку мембраны и захват.

Поверхностная модификация

Функционализация PEG, карбоксил, гидроксил или амино группами настраивает заряд НЧ, стабильность и клеточное взаимодействие. Амино или карбоксил группы усиливают положительный или отрицательный заряд соответственно, усиляя захват через клатрин-зависимые или клатрин-независимые пути. Функционализированные НЧ также улучшают таргетирующую эффективность и снижают токсичность, как показано с полидопамином-аптамер конъюгатами и фолиевой кислотой-покрытыми частицами.

Эластичность

Жесткость НЧ влияет на энергию оборачивания мембраны. Более жесткие частицы (высокий модуль Юнга) обычно интернализируются более легко чем более мягкие, хотя некоторые исследования сообщают обратное или промежуточное оптимальное жесткость. Настройка эластичности может поэтому тонко регулировать захват для доставки препаратов, как продемонстрировано усиленным опухолевым накоплением нанолипогелей с подобранной жесткостью.

Внутриклеточный траффикинг НЧ

После эндоцитоза НЧ проходят через ранние эндосомы, поздние эндосомы, рециклирующие эндосомы и лизосомы, где обитают деградативные ферменты. Некоторые НЧ избегают лизосомальной деградации, убегая в цитоплазму или эксплуатируя аутофагические пути. Аутофагия, секвестрирующая цитоплазматический контент в аутофагосомы для лизосомальной деградации, может быть индуцирована определенными НЧ, влияя на клеточную гомеостаз.

Динамическая визуализация Tat-конъюгированных квантовых точек выявила макропиноцитозный захват, перинуклеарный траффикинг вдоль микротрубочек и филоподиальные события высвобождения. Размер-зависимая внутриклеточная судьба наблюдалась для флуоресцентных полистирольных частиц в гепатоцитах, с митохондриальной локализацией и желчевыделительными путями. Серебряные НЧ агрегировали возле ядра в мезенхимальных стволовых клетках, в то время как диоксид титана нанотрубки пересекали ядерные мембраны в невральных стволовых клетках, иллюстрируя разнообразные траффикинговые маршруты.

Заключение

Приложения НЧ расширяются по потребительским продуктам, повышая воздействие и опасения безопасности. Глубокое понимание механизмов клеточного захвата и внутриклеточного траффикинга — формируемых размером, формой, зарядом, гидрофобностью, поверхностной химией и эластичностью НЧ — необходимо для проектирования безопасных, эффективных наномедицин и смягчения потенциальных рисков.

Аббревиатуры

ATP:

Аденозин трифосфат

CAGR:

Сложный годовой темп роста

CM:

Клеточная мембрана

FITC:

Флуоресцеин изотиоцианат

GPI:

Гликوزيلфосфатидиниозитол

LDH:

Слоистый двойной гидроксид

MTOC:

Микротрубочно-организующий центр

NP:

Наночастица

PEG:

Полиэтиленгликоль