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纳米粒子入胞途径和影响因素

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发表时间:2022-05-09 10:45作者:迈安纳




一、简介


纳米医学已成为最近几年生物医学领域发展最为迅速的研究领域之一。纳米颗粒( Nanoparticles,NPs )和亚微米颗粒分别是指尺寸为1 - 100和100 - 1000nm的材料,由于它们具有很高的比表面积和体积比,可以与生物系统以非同寻常的方式相互作用。由于这种特性,加上可以通过修饰其周围化学基团从而实现多任务性质的可能性,使纳米粒子化合物在纳米医学的诊断和治疗方面具有很高的应用潜力。
有关摄取机制的研究很重要,摄取机制不同,纳米粒子的命运也是不同的。例如,胞吞 在某些过程中非常重要。在这种情况下,小窝蛋白介导的内吞(Caveolin-Mediated Endocytosis, CVME )起主要作用。此外,许多药物可以被设计成到达特定的细胞器发挥治疗作用,摄取途径是药物能否发挥作用的决定因素。CVME摄取的纳米颗粒即是这种情况,它涉及内质网和高尔基体复合体,可用于靶向这些细胞器并携带某些特定药物。此外,根据所使用的纳米粒子和细胞的种类,摄取机制还可以减少内涵体降解和增大释放到细胞质中的药物量。因此,CVME似乎避免了某些细胞的溶酶体系统,与此同时其他作者表示巨胞饮体更有可能在不被溶酶体降解的情况下释放药物。
本文概述了不同类型的纳米颗粒进入细胞内部的机制。





二、内吞机制的分类


不同内吞机制示意图


1.吞噬作用

吞噬作用指细胞通过大小在微米级别的囊泡(有较大的质膜表面积)摄取经过调理的微粒物质和溶质。但吞噬作用极少被用做纳米粒的摄取机制。


2.胞饮作用

胞饮作用是指包含溶质和粒子的液体被囊泡摄取,但是胞饮作用的囊泡尺寸要比吞噬作用过程中产生的囊泡小。这种内吞的机制可以分为巨胞饮和受体介导的内吞(Receptor-mediated endocytosis, RME)。


2.1 巨胞饮

巨胞饮允许通过大的液泡来摄取原料,大小不一,称为巨胞饮体。当巨胞饮体内化后,PH逐渐降低并且内涵体的标志开始出现。随后,酸化后的巨胞饮体既可以与晚期内涵体融合,也可以与溶酶体结合或者将它们运送的物质回收循环到细胞膜上。


2.2 受体介导的内吞(RME)

受体介导的内吞是纳米粒子进入细胞内部最常见的一种途径。受体介导的内陷开始于连接在纳米粒子上的配体与细胞膜上特定的受体结合,结合后会引发构象改变导致质膜内陷,产生早期内涵体,RME有不同的类型,下图是与纳米粒摄取最相关的一种:


受体介导吞机制示意图


2.2.1 网格蛋白介导的内吞(Clathrin-Mediated Endocytosis,CME)

网格蛋白介导的内吞发生在特殊的质膜区域,同时也是网格蛋白被招募的区域。受激动剂和其受体的相互作用,导致网格蛋白被组装为多边形将囊泡包裹起来形成网格蛋白包被小泡。网格蛋白包被小泡的大小在70-150nm,网格蛋白包被小泡的大小取决于细胞的种类。然后囊泡内化,脱掉包裹在外层的网格蛋白,并且与其他的囊泡融合形成早期内涵体,之后早期核内体转变为晚期核内体并与溶酶体融合。


2.2.2 小窝蛋白介导的内吞(CVME)

小窝蛋白介导的内吞由60-80nm的细胞膜内陷,并吸收细胞外液成分构成。蛋白质会参与这种内吞途径,比如小窝蛋白-1(caveolin-1)在脂质筏中与胆固醇结合,与CME不同的是小窝蛋白-1被摄取后不会与液泡分离。小窝蛋白囊泡形成后会与其他的小窝蛋白囊泡融合形成具有多腔结构的溶洞体,通过双向的方式进一步与早期内涵体融合。从这点看来囊泡结构可以根据细胞的种类移动到光滑内质网或者高尔基体转运网。


2.2.3 其他途径

除了上述的机制外,还有一些不需要网格蛋白和小窝蛋白的途径,例如Arf-6,Rho-A (或者IL2Rb依赖途径),筏蛋白,或者依靠CDC42(CLIC/GEEC)的内吞。但是这些机制对纳米粒子的摄取并没有明显贡献。






三、纳米粒子逃离内体的机制


1.质子海绵效应

由于内体酸化,纳米粒子的非离子化氨基吸收质子,引发氯离子进入内体,导致内体渗透压升高,水通过渗透作用进入内体,从而导致内体破裂,纳米粒子逃离内体。


2.伞状效应

纳米粒子可电离性脂质质子化,产生电荷排斥,导致结构扩大,内体发生破裂。


3.直接融合

纳米颗粒可以与生物膜直接融合,由于膜应力和内膜张力的诱导,会在内体的表面形成孔隙,纳米粒子可以从孔隙离开内体进入细胞。






四、纳米粒子的物理性质对细胞摄取的影响


目前有一些已知的因素可以对纳米粒子的摄取,内吞途径和其在细胞内的命运产生极大的影响。其中最重要的几个因素有纳米粒子的大小,电荷,形状和刚性。


1.大小

一般认为,纳米粒内化进入非吞噬型细胞的粒径比最优摄取效率的小粒子要大将近50nm,这取决于纳米粒的类型,金纳米粒是这样的情况。并且很难建立一种粒径和内吞途径之间的模型关系,因为粒子可以与特定的受体相互作用从而引发一种或者另一种通路,并且可以在表面成簇导致整体尺寸增大。然而,根据报道纳米粒子的尺寸高达150nm时大多通过CME和CVME内化,而通过这种方式内化的纳米粒子的最大尺寸为200nm,而250nm到3mm的纳米粒子的最佳摄取途径是巨胞饮和吞噬作用。


2. 电荷

电荷在纳米粒子摄取中会起到相关的作用。由于细胞表面带负电荷,因此阳离子纳米粒子更容易内化到细胞中,而中性和负电荷纳米粒子被不同细胞内化的效率更低。并且电荷也会影响摄取通道,负电荷纳米粒子更容易通过CVME被摄取进细胞,而阳离子纳米粒子更喜欢通过CME进入细胞。


3. 形状

关于纳米粒子的形状(球形,圆柱体,椭圆,棒,圆盘)是否会影响摄取的程度和内吞的途径并没有统一的意见。因此,一些学者认为球形的纳米粒子例如金纳米粒子或者聚乙二醇化的纳米粒子具有更高的摄取速率,与此同时,另一些学者提出细长的纳米粒子的内吞效果要优于球形纳米粒子。造成这些差异的原因尚不清楚,但是研究中使用的不同类型的细胞可能是导致这种差异的原因之一。


4. 刚性

与柔性纳米粒子相比,纳米粒子的刚性似乎可以增加纳米粒子的内吞。此外,刚性纳米粒子更容易被CME吸收,而柔性纳米粒子易被巨胞饮内化。


5. 其他因素

除了上述的因素之外,还有其他可以影响纳米粒子摄取速率的因素,比如与血清蛋白的相互作用和其亲脂性。并且纳米粒子和血清蛋白的相互作用会在纳米粒子的表面形成蛋白冠状结构,从而导致尺寸增长,这可能会影响纳米粒子和细胞之间的相互作用。另一方面,亲脂性纳米粒子可以通过与细胞膜的脂质部分直接相互作用从而通过被动扩散进入细胞。为了合成更高效的纳米粒子,这些因素可作为关键的设计参数加以考虑,以便合成更高效的纳米颗粒。






五、总结


由于纳米粒子的化学性质提供了多种研究方向,包括通过修饰其表面的末端基团使其能够定向到靶细胞。因此将纳米粒子用作不同的治疗化合物((小分子药物,siRNA等。)的载体变得非常普遍。为了成功递送治疗药物,纳米粒子必须先被目标细胞摄取。内化机制对纳米粒子及其搭载的药物非常重要,因为它可以帮助改变其细胞内的命运。大部分纳米粒子主要通过受体介导的胞吞作用被摄取


不同类型的纳米粒子化学性质不同,导致它们的内吞途径不同。此外,对于同一类型的纳米粒子,表面化学基团或修饰不同的配体以增加细胞靶向性也会明显改变进入其细胞的机制,因此很难对一些具有不同化学性质的纳米粒子进入细胞的速率和程度以及药物的递送做出预测。除此之外,对于同一化学个体,不同类型的细胞按照不同的机制摄取纳米颗粒。这种现象可能与不同来源的细胞细胞膜外部的脂质、蛋白质和糖的组成不同有关。


未来,成功的纳米粒子转运设计应基于更透彻地了解与纳米粒子摄取相关的功能基团,以及靶向基团与被用于选择性转运纳米粒子和细胞药物到特定细胞的受体结合产生的优先通路。然而,尽管有新知识可以参考,对于新设计和修饰的纳米粒子来说进行试错测试似乎仍是研究纳米粒子被细胞机制的途径唯一可行的方法。




文献来源:Darío Manzanares and Valentín Ceña. Endocytosis: The Nanoparticle and Submicron Nanocompounds Gateway into the Cell[J]. Pharmaceutics, 2020, 12(4) : 371-371.

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