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纳米颗粒与细胞的交互作用

“核心刊物”迎来了新期刊:科学通报,中国科学C辑:生命科学,这两份期刊均是由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的,我国学术期刊中的知名品牌,被国内外各主要检索系统收录,如国内的《中国科学论文与引文数据库》(CSTPCD)、《中国科学引文数据库》(CSCD)等;美国的SCI、CA、EI,英国的SA,日本的《科技文献速报》等。

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目前针对每期的重点内容,生物通将展开详细推荐,欢迎读者共同参与……生物通报道:与大块材料相比, 纳米尺度材料有着独特的光学、电学、力学和生物学性质, 这使得纳米颗粒在药物输运和肿瘤成像等医学方面展现出巨大的应用前景. 同时, 愈来愈多的工业化纳米颗粒和纳米材料的制备, 使得其生物安全性也受到很大的关注. 


由于纳米颗粒进入体内后的作用发生在细胞层面上, 这要求我们很好地去理解纳米颗粒与细胞之间的相互作用. 大量的实验表明, 纳米颗粒吸附在细胞膜表面, 并通过不同方式被细胞所摄取. 纳米颗粒的尺寸、形状、表面化学性质、表面电荷分布、拓扑结构以及颗粒弹性性能等都对两者间的相互作用有着显著的影响.

近期来自中科院的学者简要介绍了颗粒进入细胞的路径, 着重阐述影响颗粒/细胞交互作用的关键因素, 并对后续的研究方向进行展望.

纳米尺度材料是至少在一个维度上介于1~100 nm的材料. 与相同化学组分的大块材料相比, 纳米尺度材料往往展现出奇特的光学、电学、力学和化学性质. 比如石墨烯和碳纳米管的电学、力学性能, 金纳米颗粒的光学和化学性能等. 这些卓越的性能不仅增加了其在工业方面的应用, 也使得它们在生物医疗领域有着巨大的应用前景. 譬如, 癌症药物由于其低溶解度和较差的生物相溶性而限制了它的临床应用. 发展药物缓释系统, 定向地靶向癌细胞并释放药物成为一种有效的解决手段.

纳米颗粒由于其较小的尺寸和较高的比表面积成为药物缓释载体的首要候选者. 它们能够携带药物或者成像剂有效地进入病灶位点, 用来诊断和治疗疾病. 一系列的纳米颗粒都展现出在生物医疗领域的巨大应用前景. 然而, 在药物输运的过程中, 也有较多的问题需要关注.

首先颗粒必须具有良好的分散性, 能够在血液中较长时间地循环并且避免在调理素作用(opsonization)下被巨噬细胞所吞噬. 其次通过颗粒表面修饰的特定配体或局部环境因素的调控, 颗粒能够靶向癌细胞, 并越过细胞膜这一障碍进入细胞内部. 这一过程主要通过细胞内吞作用来实现. 之后, 内吞的颗粒需要在核内体中分离出来以避免被溶酶体分解. 最后颗粒将药物释放到细胞质或细胞器中, 以起到杀灭癌细胞的作用. 研究人员发现此系列过程中, 纳米颗粒高效、准确地靶向癌细胞并内化进入细胞显得特别重要. 正是基于这一背景, 因此需要更好地研究、理解细胞与纳米颗粒之间的交互作用.

纳米颗粒主要通过内吞和渗入的方式进入细胞. 大量的实验和理论分析表明, 颗粒的尺寸、形状、化学性质、表面结构、颗粒弹性性能、表面修饰、表面电荷分布等直接影响其与细胞的交互作用. 理解这些因素在两者交互作用中的角色, 可以帮助我们更好地设计应用于工业和生物医疗领域的纳米材料, 使之成为安全、有效的载体.

这篇文章就详细介绍了纳米颗粒内化进入细胞的几种方式, 综述不同因素对纳米颗粒/细胞交互作用的影响.

作者总结了不同因素对细胞内吞纳米颗粒的影响, 可以看到颗粒的力学性质(如尺寸、形状、弹性性能)以及表面性质(如化学成分、表面电荷、表面吸附能)对两者间的交互作用有着显著的影响. 许多研究结果仍然呈现出不一致性, 比如形状因素的影响. 这些不一致性与颗粒的材料成分、表面修饰、细胞类型、受体-配体结合强度以及细胞培养环境等有着密切的关系. 进一步地研究两者相互作用的机理对于药物缓释和理解纳米材料的毒性都有很大的帮助.

未来的研究可以关注这样几个方面: (1) 现有的实验研究都基于最终状态的观测, 其中间过程, 包括进入途径方式等, 都需要利用控制样本实验间接推理得出, 亦或利用分子模拟方法得到. 而且实验结果都是对大量的颗粒和细胞做统计平均, 耗时费力又缺少直观性. 已有课题组对单个颗粒与细胞的交互作用过程展开实验研究, 但这方面还亟待发展.

(2) 现有的交互作用机理研究多把细胞膜给分离出来单独考虑, 而没有把细胞当作一个整体对象加以研究. 此类研究往往忽略了细胞骨架的重组变形等因素. 这对于颗粒尺寸较小或者数量较少的时候适用, 但是随着颗粒尺寸或者数量的增大, 必须从细胞整体出发去考虑问题. 同时, 现有研究只是局限于颗粒与细胞膜的交互作用, 当颗粒进入到细胞内部之后, 它们是否会与胞内脂质发生交互作用并且影响细胞功能, 譬如对细胞骨架的影响, 这方面尚无系统研究.

(3) 大量研究表明细胞所处的力学微环境显著影响细胞的功能和行为, 譬如基底的力学性质直接影响贴壁细胞的黏附、铺展和生长功能: 基底表面粗糙度不同可使得黏着斑密度与细胞骨架的分布形式不同, 从而极大的改变细胞黏附程度和铺展面积. 而这势必影响细胞对纳米颗粒的内吞, 因为细胞骨架通过跨膜蛋白整合素(integrin)与基底相连, 当基底的力学性质发生改变时, 细胞膜上受体蛋白分布、细胞膜内张力及细胞铺展面积也会发生很大变化, 从而影响纳米颗粒与细胞的作用形式. 因此, 研究胞外力学微环境对细胞/纳米颗粒交互作用的影响, 对于找到细胞内吞纳米颗粒的普遍规律具有很大的挑战性, 此方面已经有研究但是亟待发展.

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