纳米颗粒与细胞的交互作用

2015年第60卷第21期：1976~1986引用格式:王九令,孙佳姝,施兴华.纳米颗粒与细胞的交互作用.科学通报,2015,60:1976–1986WangJL,SunJS,ShiXH.Interactionbetweennanoparticlesandthecell(inChinese).ChinSciBull,2015,60:1976–1986,doi:10.1360/N972014-01199《中国科学》杂志社SCIENCECHINAPRESS自然科学基金项目进展专栏评述纳米颗粒与细胞的交互作用王九令①,孙佳姝②,施兴华①*①中国科学院力学研究所,非线性力学国家重点实验室,北京100190;②国家纳米科学中心,北京100190*联系人,E-mail:[e-mail]2014-11-11收稿,2014-12-08接受,2015-04-01网络版发表国家自然科学基金优秀青年科学基金(11422215)和国家自然科学基金(11023001,11272327)资助摘要与大块材料相比,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.本文简要介绍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.关键词纳米颗粒细胞膜交互作用药物输运细胞毒性细胞内吞纳米尺度材料是至少在一个维度上介于1~100nm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[1~4].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[1,5].一系列的纳米颗粒,如二氧化硅颗粒[3]、金纳米颗粒[6]、聚合物纳米颗粒[4],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[7,8].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.昀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.我们发现此系列过程中,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,我们需要更好地研究、理解细胞与纳米颗粒之间的交互作用[9,10].同时,随着工业化生产和应用纳米材料的快速增加,它们对生态环境以及人类健康的影响也不容忽视[11].除了工业生产释放到环境中的纳米颗粒,我们的个人用品如化妆品、洗发水、防晒霜、纺织品中也含有纳米材料.通过皮肤渗入、呼吸系统、消化系统、或静脉注射等方式进入人体血液循环系统后,纳米颗粒还可能进入人体的不同组织器官,与不同的生物大分子接触,从而可能带来生物安全性问1977评述题[8,12].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.下面将介绍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,并对未来研究方向作展望.1细胞摄入纳米颗粒的方式1.1细胞内吞(endocytosis)内吞是真核细胞通过细胞膜内陷形成囊泡,将胞外的生物大分子、颗粒物质或液体等摄取到细胞内的过程.它不仅调控细胞对营养物质的摄取,还在细胞表面受体调控、细胞迁移、分裂、信号转导等过程中发挥重要作用[13].细胞内吞主要分为吞噬作用(phagocytosis)和胞饮作用(pinocytosis).后者又可分为4种方式:大胞饮作用(macropinocytosis)、网格蛋白依赖的胞吞作用(clathrin-mediatedendocytosis)、胞膜窑依赖的胞吞作用(caveolae-mediatedendocytosis)以及非网格蛋白/胞膜窑依赖的胞吞作用(clathrin-andcave-olae-independentendocytosis),如图1所示.吞噬作用主要发生于特定的吞噬细胞,如巨噬细胞和中性粒细胞等.吞噬作用主要由3个步骤组成:(1)在血液中通过调理素作用识别颗粒;(2)调理素作用的颗粒黏附于细胞膜表面;(3)细胞摄取颗粒[5].调理素作用的颗粒主要通过细胞表面的受体黏附于细胞表面,特异性的受体-配体作用导致信号触发,进而引发细胞骨架重组并形成吞噬体.吞噬作用可以摄取的颗粒尺寸从几百纳米到十微米左右,Cham-pion等人[14]研究了不同形状颗粒对吞噬作用的影响,发现颗粒的曲率半径越大,越能激发细胞的吞噬效应.与吞噬作用类似,大胞饮作用内吞通过细胞膜形成褶皱状的突出来吞没细胞外的流体和营养物质,它是一种细胞骨架调控的内吞方式[15].大胞饮作用内吞的颗粒尺寸也比较大,它可以内化亚微米到微米尺寸的颗粒.与吞噬作用不同,除少数几种细胞外,大多数细胞都具有大胞饮作用.网格蛋白依赖的内吞是研究昀多的内吞机理,也是病毒进入细胞昀常用的方式.当跨膜的受体蛋白与颗粒表面配体蛋白结合后,触发包被小窝的形成并昀终脱离质膜形成网格蛋白包被膜泡.它内吞的颗粒尺寸在10~300nm之间.胞膜窖依赖的胞吞是除网格蛋白依赖的胞吞外研究昀多的胞饮作用.胞膜窖在质膜的脂筏区域形成,呈50~80nm大的瓶形(flask-shaped)内陷结构.胞吞时,胞膜窖携带内吞物,利用发动蛋白的收缩作用从质膜上脱落,然后转交给膜窖体(caveo-some).研究发现,猴病毒40(SV40)会通过这种路径进入细胞.它摄取的颗粒尺寸则不超过100nm[16].对于纳米颗粒来讲,昀有效的内吞方式是受体介导的内吞作用,也就是颗粒表面的配体蛋白与细胞膜表面的受体蛋白结合,昀后细胞膜弯曲内陷将颗粒包裹[13].受体蛋白通常是通过扩散的方式输运图1(网络版彩色)纳米颗粒进入细胞的不同方式Figure1(Coloronline)Thepathwaysofcellularuptakeofnanoparticles2015年7月第60卷第21期1978到颗粒的内陷部位.值得注意的是,细胞摄取某一种纳米颗粒常常涉及到多种内吞方式[17].1.2非内吞方式尺寸较小的纳米颗粒可以通过非内吞方式被动渗入细胞内部[18~21].譬如细胞穿膜多肽(cell-penetra-tingpeptide)可以穿透细胞膜且不会在膜内产生孔洞[22].在合成材料中,小尺寸的金属团簇分子[23]、一维材料如碳纳米管[24]以及带正电的纳米颗粒(如树形分子[25])可以穿透细胞膜.在穿透膜的过程中,细胞膜可能产生孔洞,使得细胞内的离子、蛋白和其他大分子泄露到膜外,从而导致细胞毒性.实验发现,金纳米颗粒表面交替覆盖带有阴离子的疏水配体蛋白后,可以在细胞膜不破裂的情况下穿透细胞膜[26].此外,细胞穿膜多肽修饰的金纳米颗粒也可以穿透细胞膜从而进入细胞质内[27].2影响纳米颗粒/细胞交互作用的因素研究表明,纳米颗粒的尺寸、形状、表面化学性质、表面结构和弹性性能对两者间的交互作用有显著的影响,如图2所示.2.1颗粒尺寸效应细胞内吞纳米颗粒的尺寸效应普遍存在.未经修饰的疏水性纳米颗粒通常会在胞外吸附蛋白并聚集,后被巨噬细胞所吞噬.吞噬作用摄取的颗粒尺寸通常在微米尺度,而且颗粒尺寸对吞噬的影响不大[14].用作药物载体的纳米颗粒通过表面修饰,可以实现在细胞培养液中较好的分散性.Osaki等人[28]发现细胞内吞50nm的颗粒效率昀高.随后金纳米颗粒[29]的实验同样发现50nm的球形颗粒具有昀高的细胞内化效率.在二氧化硅纳米颗粒的实验中,作者很好地控制了颗粒的表面电势从而得到了单分散的纳米颗粒.他们的结果也显示50nm的颗粒内化效率昀高[30].细胞摄取其他纳米颗粒的实验中也发现了尺寸效应的存在[31,32].尺寸效应的普遍存在引发了理论工作者的关注.Lipowsky等人[33]研究了分散的纳米颗粒与囊泡的接触问题.Helfrich[34]和Deserno[35]采用细胞膜连续弹性模型,研究了胶体颗粒黏附在流体膜上的问题.他们将这一过程概括为3部分能量的平衡:颗粒与细胞膜之间的黏附能(Ea)、细胞膜的弯曲能(Eb)以及拉伸额外的细胞膜到包裹位点所做的功(Et),分别表达为aad2b12012tad,1d,2,EwAEcccccAEA图2(网络版彩色)影响纳米颗粒/细胞交互作用的不同因素Figure2(Coloronline)Factorsinfluencetheinteractionbetweenthecellandnanoparticles1979评述其中w为两者间的黏附强度,Aad为接触面积,c1和c2为细胞膜上一点的主曲率,c0为膜的自发曲率,和为细胞膜的弯曲刚度和高斯弯曲刚度,为细胞膜的表面张力,∆Aad为拉伸到包裹位点的额外膜面积.黏附能为膜包裹颗粒的驱动力,与尺寸无关,而包裹单个球形颗粒所要克服的细胞膜的弯曲能为8.当颗粒尺寸较小时,颗粒与细胞膜的接触面积有限,相应的两者间的黏附能有限,从而不足以实现颗粒的完全包裹[36].这也从能量的角度解释了为什么较小尺寸的颗粒不易被细胞内化.基于实验中观察到的尺寸效应,Gao等人[37]采用考虑受体蛋白扩散的动力学模型,得到包裹单个颗粒花费时间昀少的球形颗粒半径约为27~30nm,圆柱形颗粒半径约为13.7~15.3nm.这与实验结果吻合得较好.Zhang等人[38]采用热力学模型得到当球形颗粒半径约为25~30nm时,可以获得昀多的颗粒摄入量.有趣的是,这两种理论模型的优化目标函数虽然不同,但结果却很一致,共同解释了为什么细胞对直径约50nm的颗粒具有昀高的摄入效率.实验和理论结果表明,当颗粒尺寸较小时,多个颗粒可以通过协同作用作为一个整体被细胞膜所包裹[39~44].Jaskiewicz等人[42]采用两亲性的高分子组装形成的聚合物囊泡作为细胞膜的模型,观察到尺寸较小的多个颗粒作为一个整体与囊泡黏附并进入囊泡内部.这类颗粒与模型囊泡的实验由于排除了细胞内一些复杂因素的影响,对理论上理解颗粒与细胞相互作用很有意义[42,45].Raatz等人[39]研究了多个球形颗粒以管状模型协同进入细胞的情形,发现黏附作用的势程对结果的影响显著.Wang等人[44]则研究了多个颗粒以球形囊泡模型协同进入细胞的可能性.值得注意的是,当颗粒的半径大于80nm时,细胞骨架对内吞的影响将变得显著起来.骨架的变形能将和细胞膜的弹性变形能一起成为抵抗颗粒内化的主要因素[46~48].2.2颗粒形状效应颗粒形状是影响细胞内吞颗粒的另一个重要因素.Champion等人[14]研究了聚苯乙烯(PS)颗粒尺寸和