Inzicht in cellulaire opname en intracellulaire handel in nanodeeltjes

Effect van fysisch-chemische eigenschappen van NP op cellulaire opname

Het bestuderen van het effect van fysisch-chemische eigenschappen van NP's, zoals grootte, vorm, oppervlaktelading, hydrofobiciteit/hydrofiliciteit van het oppervlak en oppervlaktefunctionalisering op cellulaire opname, is cruciaal omdat deze parameters rechtstreeks van invloed zijn op het opnameniveau, de endocytotische route en de cytotoxiciteit van NP's. [90, 91]. Fysisch-chemische factoren die de cellulaire opname van NP's beïnvloeden, worden geïllustreerd in Fig. 2. In de volgende sectie wordt de impact van deze parameters op cel-NP-interacties besproken.

Fysisch-chemische factoren die de cellulaire opname van NP beïnvloeden. een Oppervlaktelading, b vorm, c maat en d oppervlaktechemie

Effect van grootte

De grootte van NP is een sleutelfactor bij het bepalen van de efficiëntie van cellulaire opname [92] evenals het toxische potentieel ervan op levende cellen [24]. Bovendien bleek de grootte van NP ook een belangrijke rol te spelen bij het bepalen van de opnameroute. Kleine NP's met een grootte van enkele tot enkele honderden nanometers komen de cellen binnen via pino- of macropinocytose. Van NP's in het groottebereik van 250 nm tot 3 m is aangetoond dat ze een optimale in vitro fagocytose hebben, terwijl NP's met het groottebereik van 120-150 nm worden geïnternaliseerd via clathrin- of caveolin-gemedieerde endocytose, en de maximale grootte van NP's het gebruik van deze route bleek 200 nm te zijn [47, 93]. In de door caveolae gemedieerde route belemmert de grootte van caveolae de opname van grotere NP's [16, 17]. Een bepaald type NP kan meerdere endocytische routes gebruiken, afhankelijk van zijn grootte.

Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat voor cellulaire opname van NP's er een optimale grootte is van 50 nm waarbij NP's efficiënter worden geïnternaliseerd en een hogere opnamesnelheid heeft. De opname van NP bleek af te nemen voor kleinere deeltjes (ongeveer 15-30 nm) of grotere deeltjes (ongeveer 70-240 nm) [94,95,96,97,98,99]. Bovendien interageren NP's met een grootte van 30-50 nm efficiënt met CM-receptoren en worden vervolgens geïnternaliseerd via receptor-gemedieerde endocytose [97]. Bij de toediening van geneesmiddelen van NP's is de belangrijkste zorg om te voorkomen dat de NP's worden geëlimineerd door het reticulo-endotheliale systeem en om de circulatietijd in het bloed te verlengen, waardoor de biologische beschikbaarheid bij het doelwit wordt verbeterd. In dit opzicht zal het vergroten van de NP's leiden tot een toename van de klaringssnelheid [100,101,102,103,104,105]. Daarom is het van cruciaal belang om de rol van NP-grootte bij cellulaire opname te begrijpen om effectieve en veilige NP's voor medische toepassingen te ontwerpen.

Hoewel verschillende onderzoeken de relatie tussen de grootte van NP en opnameroutes hebben onderzocht, zijn de onthulde resultaten altijd inconsistent [93, 106,107,108,109]. Deze tegenstrijdigheden kunnen verband houden met de complexiteit van het beheersen van andere parameters van NP tijdens het proces van het beheersen van de grootte. Daarnaast kunnen de maten van NP's die na synthese worden gemeten, tijdens de in vitro- en in vivo-onderzoeken veranderingen ondergaan als gevolg van agglomeratie en aggregatie, wat op zijn beurt de cellulaire internalisatieroutes zou kunnen beïnvloeden [110, 111]. De impact van deeltjesgrootte op de cellulaire opnameroute in niet-fagocytische B16-cellen werd onderzocht door gebruik te maken van fluorescerende latexparels van verschillende groottes in het bereik van 50-1000 nm [93]. De resultaten hebben aangetoond dat het internalisatiemechanisme van deze korrels significant afhankelijk is van de deeltjesgrootte. In het bijzonder werden korrels met afmetingen van 200 nm of minder opgenomen door met clathrine beklede kuilen, terwijl grotere korrels werden geïnternaliseerd door door caveolae gemedieerde endocytose. Lai en collega's [16] hebben ontdekt dat kleine polymere NP's met een grootte van minder dan 25 nm een ​​nieuw mechanisme gebruiken om het perinucleaire gebied van de cellen te bereiken via niet-afbrekende blaasjes buiten de endo/lysosomale route. Deze route is niet-clathrin en niet-caveolae-gemedieerd en cholesterol-onafhankelijk.

De opname van gouden (Au) NP's van verschillende groottes (2 tot 100 nm) geconjugeerd met Herceptin-AuNP's door SK-BR-3-cellen bleek grootteafhankelijk te zijn. De hoogste cellulaire internalisatie werd waargenomen voor NP's in het groottebereik van 25-50 nm [63]. In deze toegangsroute bleek de grootte van NP de bepalende factor te zijn bij de binding en activering van membraanreceptoren en de uiteindelijke expressie van de eiwitten. Het effect van variatie in de grootte en vorm van colloïdale AuNP's op de intracellulaire opname werd beoordeeld [112]. AuNP's met een grootte van 14, 50 en 74 nm met bol- en staafvorm werden geïncubeerd met HeLa-cellen. Er werd gevonden dat de NP-opname sterk afhangt van de grootte en vorm en die deeltjes met een grootte van 50 nm vertoonden de hoogste opnamesnelheid. Bovendien was de opname van sferische AuNP's 500% meer dan staafvormige NP's van vergelijkbare grootte. Shan et al. [113] onderzocht de grootte-afhankelijke kracht van endocytoserende AuNP's met diameters van 4, 12 en 17 nm door HeLa-cellen. De resultaten toonden aan dat zowel de opname- als de niet-bindende krachtwaarden toenemen met de grootte van AuNP's. De opname van SiO₂ NP's van verschillende groottes (50, 100 en 300 nm) door A549-cellen (longepitheelcellen) zijn bestudeerd door middel van een combinatie van flowcytometrie, fluorescentie- en elektronenmicroscopie. Deze onderzoekers hadden aangetoond dat de opname van SiO₂ NP's zijn afgenomen met grootte [114].

Effect van vorm

Naast de grootte speelt de vorm van de NP ook een cruciale rol in de opnameroute en de handel in NP's. Chithrani et al. [112] bestudeerde het effect van de vorm van colloïdale AuNP's op de opname van HeLa-cellen. Het resultaat onthulde dat sferische AuNP's een vijf keer hogere opname hadden dan staafvormige AuNP's. In een ander werk onderzochten dezelfde onderzoekers het opnameniveau van sferische en staafvormige met transferrine gecoate AuNP op drie verschillende cellijnen; STO-cellen, HeLa-cellen en SNB19-cellen [94]. Ze merkten op dat sferische AuNP's door alle cellijnen sneller werden geïnternaliseerd dan staafvormige AuNP's.

Om het effect van vorm in vivo vast te stellen, gebruikten Geng en collega's [115] filomicellen om de verschillen in transport en handel in flexibele filamenten met bollen bij knaagdieren te evalueren. De resultaten lieten zien dat filocellen ongeveer tien keer meer in de circulatie bleven dan bolvormige tegenhangers. Bovendien worden de bolvormige filomicellen gemakkelijker geïnternaliseerd door de cellen dan langere filamenten. Gratton en medewerkers [106] toonden het effect aan van de vorm van monodisperse hydrogeldeeltjes op opname in HeLa-cellen. Ze hebben ontdekt dat staafvormige NP's de hoogste internalisatiesnelheden hadden in vergelijking met bollen, cilinders en kubussen. In een andere studie werd de impact van de vorm van NP's op celopname onderzocht door schijfvormige, bolvormige en staafvormige polystyreen (PS) NP's op Caco-2-cellen te gebruiken. Het resultaat toonde aan dat de staaf- en schijfvormige NP's twee keer hoger waren geïnternaliseerd dan sferische NP's. Ze concludeerden dat NP-gemedieerde medicijnafgifte kan worden bevorderd door de vorm van NP's [116] te beschouwen.

Xu en collega's [117] bestudeerden de impact van vorm op cellulaire opname door gelaagde dubbele hydroxide (LDH) NP's te bereiden met fluoresceïne-isothiocyanaat (FITC) in verschillende morfologie zoals hexagonale vellen (50-150 nm lateraal en 10-20 nm dik) en staafjes (30-60 nm breed en 100-200 nm lang). Alle morfologieën werden opgenomen via clathrine-gemedieerde endocytose. LDH-FITC-nanosfeer werden vastgehouden in het cytoplasma, terwijl LDH-FITC-nanostaafjes door microtubuli naar de kern werden verplaatst. Dasgupta et al. toegepast [118] een simulatie om de rol van de vorm van NP's op cellulaire opname te onderzoeken. Ze hebben membraanwikkeling van de nanostaaf- en nanokubusvormige NP's gesimuleerd. Voor staafachtige deeltjes vonden ze stabiele endocytotische toestanden met een kleine en hoge omhullende fractie; verhoging van de aspectverhouding was ongewenst voor volledige verpakking. Nangia en Sureshkumar [119] hebben het effect van vorm op de translocatiesnelheid van NP's geautomatiseerd door geavanceerde simulatietechnieken voor moleculaire dynamica toe te passen. Een belangrijke onthulling van de studie is de significante variatie in de translocatiesnelheid van kegel-, kubus-, staaf-, rijst-, piramide- en bolvormige NP's.

Effect van oppervlaktelading

Een andere kritische factor die de cellulaire opname van NP's beïnvloedt, is de oppervlaktelading. In het recente decennium is nano-oppervlaktemodificatie toegepast om de oppervlaktelading van NP's te manipuleren om ofwel kationisch of anionisch te zijn [92]. De negatief geladen CM verbetert de opname van positief geladen NP's. Vooral positief geladen NP's hebben een hogere internalisatie dan neutrale en negatief geladen NP's [47, 120]. De opname van positief geladen NP's kan echter de integriteit van CM verstoren en leiden tot een toename van de toxiciteit [121, 122]. Over het algemeen induceren positief geladen NP's celdood [123, 124]. Interessant is dat neutraal geladen NP's de cellulaire opname verlagen in vergelijking met negatief geladen NP's [110, 125,126,127]. Bovendien leidt de internalisatie van negatief geladen NP's tot gelering van membranen, terwijl positief geladen NP's vloeibaarheid in de CM veroorzaken [128, 129]. Naast de opnamesnelheid van NP beïnvloeden oppervlakteladingen ook de opnamemechanismen. Meer specifiek worden positief geladen NP's voornamelijk geïnternaliseerd door de cel via macropinocytose, terwijl clathrin-/caveolae-onafhankelijke endocytose het mechanisme is voor de opname van negatief geladen NP [130]. Cellulaire opnameroutes variëren wanneer het oppervlak van de AuNP's is bedekt met organische moleculen. Bijvoorbeeld, gewone AuNP's die positief geladen zijn, worden geïnternaliseerd via macropinocytose en clathrine en caveolin-gemedieerde endocytose, terwijl negatief geladen met polyethyleenglycol (PEG) gecoate AuNP's voornamelijk worden geïnternaliseerd via caveolin- en/of clathrine-gemedieerde endocytose [131].

Li en Gu [132] bestudeerden de interactie van geladen en neutrale NP's met CM door middel van moleculaire dynamische simulaties. Het bleek dat geladen NP's een betere hechting aan de CM's hadden in vergelijking met neutrale NP's. Door de ladingsdichtheid van NP's te verhogen, kunnen ze bovendien volledig door het membraan worden omhuld. Een andere onderzoeksgroep gebruikte moleculaire dynamica-simulatie om de interacties van kationische en anionische AuNP's met CM's te onderzoeken. De resultaten hebben aangetoond dat verstoring van de CM als gevolg van penetratie van AuNP's toeneemt naarmate de ladingsdichtheid van AuNP's wordt verhoogd [133]. Deze bevindingen suggereren een manier om de interacties tussen cellen en AuNP te beheersen door de oppervlakteladingsdichtheden van AuNP's te manipuleren om de opname ervan te optimaliseren en tegelijkertijd de cytotoxiciteit te minimaliseren, wat essentiële kenmerken zijn voor alle NP's die worden overwogen voor biomedische toepassingen.

Li en Malmstadt [134] bestudeerden de interactie van positief en negatief geladen PS-NP's met biologisch membraan. Het resultaat toonde aan dat de sterke elektrostatische interactie tussen kationische NP's en de fosfaatgroepen van het membraan leidde tot een verhoogde NP-membraanbinding en membraanoppervlaktespanning, wat op zijn beurt resulteert in de vorming van poriën. De opnamesnelheid van positief geladen AuNP's in SK-BR-3-cellen werd vijfmaal hoger gerapporteerd dan negatief geladen AuNP's. Deze onderzoekers hebben ook onderzocht dat positief geladen AuNP's werden geïnternaliseerd door niet-endocytose-routes, terwijl negatief geladen AuNP's door cellen werden opgenomen via endocytose-routes [135].

Hauck et al. [107] onderzocht de opname van gouden nanostaafjes (AuNR's) met een groottebereik van 18 tot 40 nm en oppervlakteladingen in het bereik van +-37 mV tot -69 mV door HeLa-cellen. De resultaten gaven aan dat voor alle concentraties AuNR's de hoogste internalisatie in HeLa-cellen was met de oppervlakteladingen van +-37 mV en de laagste internalisatie bij -69 mV. Huhn en collega's [136] beoordeelden ladingsafhankelijke interacties van colloïdale AuNP's met verschillende cellijnen zoals 3T3-fibroblastcellen, muizen C17.2 neurale voorlopercellen en endotheelcellen van de menselijke navelstrengader. Het resultaat toonde aan dat voor alle cellijnen kationische AuNP's een hogere opname hadden dan de anionische tegenhanger. Ze concludeerden dat de celopname sterk afhankelijk is van het teken van lading. Bovendien gaf het cytotoxiciteitsonderzoek aan dat als gevolg van een hogere opname voor positief geladen NP's, ze een hogere toxiciteit vertonen dan negatief geladen NP's.

Effect van hydrofobiciteit

Hydrofobiciteit van NP is een bepalende factor in hun interactie met de CM [92, 137]. Verschillende onderzoeken hebben de impact van hydrofobiciteit van NP's op hun interacties met de CM aangetoond. Li et al. [138] bestudeerde het effect van hydrofobiciteit/hydrofiliciteit van NP's op de interactie met CM door gebruik te maken van moleculaire dynamische simulaties. De resultaten hebben onthuld dat hydrofobe NP's inclusie in de CM creëerden, terwijl hydrofiele NP's op de CM adsorbeerden. In een ander onderzoek werd een simulatiebenadering toegepast om het effect van hydrofobiciteit op NP-celinteractie te onderzoeken. Er werd waargenomen dat hydrofiele NP's waren ingepakt, terwijl hydrofobe NP's waren ingebed in de binnenste hydrofobe kern van de dubbellagen door direct in het membraan te penetreren [139].

QDNP-interacties met gemengde lipide / polymeermembranen werden beoordeeld door het hydrofobiciteitsoppervlak van NP's te veranderen. Er werd waargenomen dat hydrofobe NP's zich binnen de polymeerdomeinen hebben gelokaliseerd in een gemengde lipide/polymeermonolaag van de membranen, terwijl hydrofiele QDNP's op de monolagen adsorbeerden en zich overal verspreidden, wat wijst op een groter effect op de molecuulverpakking aan het lucht/water-grensvlak [140] . Incorporatie van gefunctionaliseerde AuNP's met gemengde hydrofobe en hydrofiele liganden in liposoomwanden werd bestudeerd. Het resultaat toonde aan dat hydrofobe liganden interageren met de hydrofobe kern van de dubbellaag, terwijl hydrofiele liganden interageren met de waterige oplossing [141].

Effect van oppervlaktemodificatie

In biomedische toepassingen van NP's is chemische oppervlaktemodificatie van NP een cruciale stap die wordt gebruikt om de toxiciteit te verminderen, de stabiliteit te verhogen en de cellulaire internalisatie van NP's te beheersen en te moduleren, vandaar hun biologische lot [142]. Oppervlaktefunctionalisatie van NP's bestaat voornamelijk uit PEG, de negatieve carboxyl (-COOH) -groep, neutrale functionele groepen zoals hydroxyl (-OH) -groepen en de positieve amine (-NH2) -groep. De toename van de hoeveelheid (-NH2) leidt tot een verhoogde positieve oppervlaktelading en verhoogt dus de opname van NP's in cellen [143,144,145,146]. Evenzo verhogen –COOH-functionele groepen de negatieve lading van NP's en daardoor de opname [144].

Tao et al. [147] hebben polydopamine-gefunctionaliseerd NP-aptameer-bioconjugaat ontworpen voor tumortargeting. Ze hebben gemeld dat de gefunctionaliseerde NP's een betere doelgerichtheid hebben in vergelijking met niet-gefunctionaliseerde NP's, wat wijst op hogere cellulaire opnamesnelheden voor gefunctionaliseerde NP's, wat zich vertaalt in een verbeterd therapeutisch effect. In een ander onderzoek toonden foliumzuur-gefunctionaliseerde NP's een hogere werkzaamheid bij het targeten van baarmoederhalskankercellen dan niet-gefunctionaliseerde NP's [148]. De impact van oppervlaktecoating op toxiciteit en cellulaire opname van AuNP's werd bestudeerd door Qiu en collega's [90]. Ze hebben onthuld dat oppervlaktecoating een sleutelfactor is bij het bepalen van de cellulaire opnamesnelheid, aangezien met poly (diallyldimethylammoniumchloride) gecoate AuNR's een hogere efficiëntie bij internalisatie door de cellen vertoonden.

De verschillen in de cellulaire opname van ongerept polystyreen (PS-NP's) en amino-gefunctionaliseerde polystyreen NP's werden onderzocht door Jiang en collega's [149]. De resultaten hebben aangetoond dat amino-gefunctionaliseerde polystyreen NP's een hogere opnamesnelheid hebben dan PS-NP's, en de eerste werden voornamelijk geïnternaliseerd via clathrine-gemedieerde route en de laatste via clathrine-onafhankelijke endocytose. Dit opmerkelijke verschil benadrukt de sleutelrol van chemische oppervlaktemodificatie in cellulaire interacties met NP's. Oppervlakte-gemodificeerd fullereen, C₆₀ ( C( COOH) ₂ ) ₂ NP's werden voornamelijk door de cellen geïnternaliseerd via endocytose op een tijd-, temperatuur- en energieafhankelijke manier. Door clathrine gemedieerde endocytose bleek de voorkeursroute te zijn voor de internalisatie van C₆₀ ( C( COOH) ₂ ) ₂ NP's [150].

Effect van Elasticiteit

De elasticiteit van NP's spelen is een intrinsieke factor bij het beïnvloeden van de internalisatie door cellen. De elasticiteit van NP's kan worden verklaard door hun weerstand tegen veranderingen wanneer er krachten op worden uitgeoefend. Stijfheid, hardheid en stijfheid zijn enkele van de termen die synoniem zijn bij het beschrijven van de elasticiteit van NP's. Een meetindex die wordt gebruikt om de elasticiteit van NP's te meten, is de Young's modulus en de meeteenheid is Pascal (Pa). Op basis van deze meting geeft een hogere Young's moduluswaarde een hogere elasticiteit van NP's aan en vice versa. Voorbeelden van analytische apparaten of instrumenten die worden gebruikt om deze waarde op NP's te meten, zijn atoomkrachtmicroscoop, reometer en nano-indenter. NP's met hogere elastische waarden worden harde NP's genoemd en voorbeelden hiervan zijn gouden NP's, kwantumdots en magnetische NP's. NP's met lagere elastische waarden worden zachte NP's genoemd en voorbeelden hiervan zijn hydrogels, liposomen en biologisch afbreekbare polymeren.

Talrijke onderzoeken die zich hebben gericht op deze parameter van NP met betrekking tot cellulaire opname hebben gerapporteerd over de voorkeur van cellen om stijvere NP's efficiënter te internaliseren in vergelijking met zachtere NP's [151, 152]. Het is duidelijk dat deze waarneming wordt toegeschreven aan een lager algemeen energieverbruik door membranen bij het inpakken van stijvere NP's in vergelijking met zachtere NP's, hoewel de vervormingsenergie die nodig is om de NP's te omwikkelen tijdens het internalisatieproces varieert. Bovendien komt computationele modellering van membraanomhulling van NP's met variërende elasticiteit, uitgevoerd met behulp van grofkorrelige moleculaire dynamica (CGMD) -simulatie overeen met de experimentele observatie met betrekking tot vervormingsenergieveranderingen die betrokken zijn bij het internaliseren van stijve en zachte NP's [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].