나노 입자의 세포 흡수 및 세포 내 트래피킹에 대한 통찰력

세포 흡수에 대한 NP의 물리화학적 특성 효과

크기, 모양, 표면 전하, 표면 소수성/친수성 및 세포 흡수에 대한 표면 기능화와 같은 NP의 물리화학적 특성의 효과를 연구하는 것은 이러한 매개변수가 NP의 흡수 수준, 세포내이입 경로 및 세포독성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 중요합니다. [90, 91]. NP의 세포 흡수에 영향을 미치는 물리화학적 요인은 그림 2에 나와 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 매개변수가 세포-NP 상호작용에 미치는 영향에 대해 설명합니다.

NP의 세포 흡수에 영향을 미치는 물리화학적 요인. 아 표면 전하, b 모양, c 크기 및 d 표면 화학

크기의 영향

NP의 크기는 세포 흡수[92]의 효율성과 살아있는 세포에 대한 독성 잠재력[24]을 결정하는 핵심 요소입니다. 또한, NP의 크기도 흡수 경로를 결정하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌습니다. 크기가 수에서 수백 나노미터에 이르는 작은 NP는 음소 또는 대음포작용을 통해 세포에 들어갑니다. 250 nm에서 3 μm 크기 범위의 NP는 최적의 시험관 내 식균 작용을 갖는 것으로 나타났지만, 120-150 nm 크기 범위의 NP는 클라트린 또는 카베올린 매개 엔도사이토시스를 통해 내재화되고 NP의 최대 크기 이 경로를 사용하는 것은 200 nm인 것으로 보고되었습니다[47, 93]. 동굴 매개 경로에서 동굴의 크기는 더 큰 나노입자의 흡수를 방해합니다[16, 17]. 특정 유형의 NP는 크기에 따라 여러 세포내이입 경로를 사용할 수 있습니다.

여러 연구에서 NP의 세포 흡수를 위해 NP가 더 효율적으로 내재화되고 더 높은 흡수율을 갖는 50nm의 최적 크기가 있음을 나타냅니다. NP 흡수는 더 작은 입자(약 15-30 nm) 또는 더 큰 입자(약 70-240 nm)에서 감소하는 것으로 나타났습니다[94,95,96,97,98,99]. 또한, 30-50 nm 크기의 나노입자는 CM 수용체와 효율적으로 상호작용하고 이후에 수용체 매개 세포내이입을 통해 내재화됩니다[97]. 나노입자의 약물 전달 응용에서 주요 관심사는 나노입자가 세망내피계에 의해 제거되는 것을 방지하고 혈액 내 순환 시간을 연장하여 표적에서의 생체이용률을 높이는 것입니다. 이와 관련하여 NP의 크기를 늘리면 제거율이 증가하게 됩니다[100,101,102,103,104,105]. 따라서 세포 흡수에서 NP 크기의 역할을 이해하는 것은 의료 적용을 위한 효과적이고 안전한 NP를 설계하는 데 중요합니다.

여러 연구에서 NP의 크기와 섭취 경로 사이의 관계를 조사했지만 밝혀진 결과는 항상 일관성이 없었습니다[93, 106,107,108,109]. 이러한 모순은 크기를 제어하는 ​​과정에서 NP의 다른 매개변수를 제어하는 ​​복잡성과 관련될 수 있습니다. 또한 합성 후 측정된 나노입자의 크기는 시험관 내 및 생체 내 연구 동안 응집 및 응집으로 인해 변화를 겪을 수 있으며, 이는 차례로 세포 내재화 경로에 영향을 미칠 수 있습니다[110, 111]. non-phagocytic B16 세포에서 입자 크기가 세포 흡수 경로에 미치는 영향은 50-1000 nm 범위에서 다양한 크기의 형광 라텍스 비드를 사용하여 조사되었습니다[93]. 결과는 이러한 비드의 내재화 메커니즘이 입자 크기에 크게 의존한다는 것을 입증했습니다. 특히, 200 nm 이하의 크기를 갖는 비드는 clathrin으로 코팅된 구덩이에 의해 흡수된 반면, 더 큰 비드는 동굴-매개 엔도사이토시스에 의해 내재화되었다. Lai와 동료[16]는 크기가 25nm 미만인 작은 고분자 나노입자가 엔도/리소좀 경로 외부의 비분해성 소포를 통해 세포의 핵주위 영역에 도달하는 새로운 메커니즘을 사용한다는 것을 발견했습니다. 이 경로는 non-clathrin 및 non-caveolae-매개 및 콜레스테롤 독립적입니다.

SK-BR-3 세포에 의해 Herceptin-AuNP와 접합된 다양한 크기(2 ~ 100 nm)의 금(Au) NP의 흡수는 크기 의존적인 것으로 나타났습니다. 가장 높은 세포 내재화는 25-50 nm 크기 범위의 NP에서 관찰되었습니다 [63]. 이 진입 경로에서 NP의 크기는 막 수용체의 결합 및 활성화와 단백질의 최종 발현에 결정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 세포내 흡수에 대한 콜로이드성 AuNP의 크기와 모양의 변화 효과가 평가되었다[112]. 구형 및 막대 모양의 14-, 50- 및 74nm 크기의 AuNP를 HeLa 세포와 함께 배양했습니다. NP 흡수율은 입자의 크기와 모양에 따라 크게 달라지며 50nm 크기의 입자가 가장 높은 흡수율을 나타냄을 알 수 있었다. 더욱이, 구형 AuNP의 흡수는 유사한 크기의 막대형 NP보다 500% 더 많았다. Shanet al. [113]은 HeLa 세포에 의해 직경이 4, 12 및 17 nm인 AuNP를 세포내이입하는 크기 의존적 힘을 조사했습니다. 결과는 AuNP의 크기에 따라 흡수 및 결합 해제 힘 값이 모두 증가하는 것으로 나타났습니다. SiO₂의 흡수 A549 세포(폐 상피 세포)에 의한 다양한 크기(50, 100 및 300 nm)의 NP는 유세포 분석, 형광 및 전자 현미경의 조합을 통해 연구되었습니다. 이 연구자들은 SiO₂의 흡수가 NP는 [114] 크기만큼 감소했습니다.

모양 효과

크기 외에도 NP의 모양은 NP의 수송뿐만 아니라 흡수 경로에서 중추적인 역할을 합니다. Chithraniet al. [112]는 HeLa 세포의 흡수에 대한 콜로이드 AuNP의 모양 효과를 연구했습니다. 결과는 구형 AuNP가 막대 모양의 AuNP보다 5배 더 높은 흡수율을 갖는 것으로 나타났습니다. 다른 연구에서 동일한 연구자들은 세 가지 다른 세포주에서 구형 및 막대 모양의 트랜스페린으로 코팅된 AuNP의 흡수 수준을 조사했습니다. STO 세포, HeLa 세포 및 SNB19 세포 [94]. 그들은 구형 AuNP가 막대 모양의 AuNP보다 빠른 속도로 모든 세포주에 의해 내재화된다는 것을 관찰했습니다.

생체 내에서 모양의 효과를 확인하기 위해 Geng와 동료[115]는 필로미셀을 사용하여 설치류에서 구체가 있는 유연한 필라멘트의 수송 및 수송의 차이를 평가했습니다. 결과는 필로미셀이 구형보다 약 10배 더 순환에 남아 있음을 보여주었습니다. 더욱이, 구형 필로미셀은 더 긴 필라멘트보다 더 쉽게 세포에 의해 내부화된다. Gratton과 동료[106]는 단분산 하이드로겔 입자의 모양이 HeLa 세포로의 흡수에 미치는 영향을 입증했습니다. 그들은 막대 모양의 NP가 구, 실린더 및 큐브에 비해 가장 높은 내재화 속도를 가짐을 발견했습니다. 또 다른 연구에서는 Caco-2 세포에 디스크 모양, 구형 및 막대 모양의 폴리스티렌(PS) NP를 사용하여 NP 모양이 세포 흡수에 미치는 영향을 조사했습니다. 결과는 막대와 디스크 모양의 NP가 구형 NP보다 2배 더 높게 내재화되었음을 보여주었다. 그들은 나노입자의 형태를 고려함으로써 나노입자 매개 약물 전달이 진전될 수 있다고 결론지었다[116].

Xu와 동료[117]는 육각형 시트(가로 너비 50~150nm 및 너비 10~20nm)와 같은 다양한 형태의 FITC(fluorescein isothiocyanate)를 사용하여 층상 이중 수산화물(LDH) 나노입자를 준비하여 모양이 세포 흡수에 미치는 영향을 연구했습니다. 두께) 및 막대(폭 30–60 nm 및 길이 100–200 nm). 모든 형태는 clathrin 매개 endocytosis를 통해 채택되었습니다. LDH-FITC 나노구는 세포질에 유지된 반면 LDH-FITC 나노막대는 미세소관에 의해 핵 쪽으로 이동되었다. Dasguptaet al. 세포 흡수에 대한 NP의 모양의 역할을 조사하기 위해 시뮬레이션을 적용했습니다. 그들은 nanorod 및 nanocube 모양의 NP의 멤브레인 랩핑을 시뮬레이션했습니다. 막대 모양 입자의 경우 작고 높은 포장 분율을 가진 안정적인 세포내이입 상태를 발견했습니다. 종횡비의 증가는 완전한 래핑에 바람직하지 않습니다. Nangia와 Sureshkumar [119]는 고급 분자 역학 시뮬레이션 기술을 적용하여 NP의 전위 속도에 대한 모양의 영향을 컴퓨터화했습니다. 연구의 주요 계시는 원뿔형, 큐브형, 막대형, 쌀형, 피라미드형 및 구형 NP의 전위율의 상당한 변화입니다.

표면 전하의 영향

NP의 세포 흡수에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 표면 전하입니다. 최근 10년 동안 나노 표면 개질은 NP의 표면 전하가 양이온 또는 음이온이 되도록 조작하기 위해 사용되었습니다[92]. 음으로 하전된 CM은 양으로 하전된 NP의 흡수를 향상시킵니다. 특히, 양으로 하전된 NP는 중성 및 음으로 하전된 NP보다 더 높은 내재화를 갖는다[47, 120]. 그러나 양전하를 띤 NP의 흡수는 CM의 완전성을 방해하고 독성을 증가시킬 수 있습니다[121, 122]. 일반적으로 양전하를 띤 나노입자는 세포사를 유도한다[123, 124]. 흥미롭게도, 중성으로 하전된 NP는 음으로 하전된 NP에 비해 세포 흡수를 낮춥니다[110, 125,126,127]. 더욱이, 음으로 하전된 NP의 내부화는 막의 겔화로 이어지는 반면, 양으로 하전된 NP는 CM에서 유동성을 유발합니다[128, 129]. NP의 흡수율 외에도 표면 전하는 흡수 메커니즘에 영향을 미칩니다. 보다 구체적으로, 양전하를 띤 NP는 주로 거대음세포작용을 통해 세포에 의해 내재화되는 반면, 클라트린-/카베올라-독립 엔도사이토시스는 음전하를 띤 NP의 흡수 메커니즘이다[130]. AuNPs의 표면이 유기 분자에 의해 코팅될 때 세포 흡수 경로는 다양합니다. 예를 들어, 양으로 하전된 일반 AuNP는 거대음세포작용과 클라트린 및 카베올린 매개 엔도사이토시스를 통해 내재화되는 반면, 음으로 하전된 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 코팅된 AuNP는 주로 카베올린 및/또는 클라트린 매개 엔도사이토시스를 통해 내재화됩니다[131]. /P>

Li와 Gu [132]는 분자 역학 시뮬레이션을 통해 하전 및 중성 NP와 CM의 상호 작용을 연구했습니다. 하전 된 NP는 중성 NP에 비해 CM에 더 나은 접착력을 갖는 것으로 밝혀졌습니다. 또한 NP의 전하 밀도를 증가시켜 NP를 멤브레인으로 완전히 감쌀 수 있습니다. 다른 연구 그룹은 양이온 및 음이온 AuNP와 CM의 상호 작용을 조사하기 위해 분자 역학 시뮬레이션을 사용했습니다. 결과는 AuNPs의 전하 밀도가 향상됨에 따라 AuNPs 침투로 인한 CM에 대한 파괴가 증가함을 보여주었다[133]. 이러한 발견은 AuNP의 표면 전하 밀도를 조작하여 AuNP의 흡수를 최적화하는 동시에 세포와 AuNP 사이의 상호 작용을 제어하는 ​​방법을 제안하는 동시에 생물 의학 응용 분야에서 고려되는 모든 NP의 필수 특성인 세포 독성을 최소화합니다.

Li와 Malmstadt[134]는 양전하 및 음전하를 띤 PS-NP와 생물학적 막의 상호작용을 연구했습니다. 결과는 양이온성 NP와 막의 인산염 그룹 사이의 강한 정전기적 상호작용이 NP-막 결합과 막 표면 장력을 향상시켜 기공의 형성을 초래한다는 것을 보여주었다. SK-BR-3 세포로의 양전하 AuNP의 흡수율은 음전하 AuNP보다 5배 더 높은 것으로 보고되었습니다. 이 연구자들은 또한 양전하를 띤 AuNP가 비내포작용 경로에 의해 내재화되는 반면 음전하를 띤 AuNP는 세포내이입 경로를 통해 세포에 흡수된다는 사실을 탐구했습니다[135].

Hauck et al. [107]은 HeLa 세포에 의해 크기 범위가 18~40nm이고 표면 전하가 + 37mV~- 69mV인 금 나노막대(AuNR)의 흡수를 조사했습니다. 결과는 AuNR의 모든 농도에서 HeLa 세포로의 가장 높은 내재화가 + 37 mV의 표면 전하와 - 69 mV에서 가장 낮은 내재화임을 나타냅니다. Huhn과 동료[136]는 3T3 섬유아세포, 쥐 C17.2 신경 전구 세포 및 인간 제대 정맥 내피 세포와 같은 다른 세포주와 콜로이드성 AuNP의 전하 의존적 상호작용을 평가했습니다. 결과는 모든 세포주에 대해 양이온성 AuNP가 음이온성 대응물보다 더 높은 흡수를 갖는다는 것을 보여주었다. 그들은 세포 흡수가 전하의 부호에 크게 의존한다고 결론지었습니다. 또한, 세포 독성 연구는 양전하를 띤 NP에 대한 더 높은 흡수의 결과로 음전하를 띤 NP보다 더 높은 독성을 나타냅니다.

소수성의 효과

NP의 소수성은 CM과의 상호작용에서 결정적인 요소입니다[92, 137]. 여러 연구는 CM과의 상호 작용에 대한 NP의 소수성의 영향을 보여주었습니다. Li et al. [138]은 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 CM과의 상호 작용에 대한 NP의 소수성/친수성 효과를 연구했습니다. 결과는 소수성 NP가 CM에 포함을 생성하는 반면 친수성 NP는 CM에 흡착하는 것으로 밝혀졌습니다. 다른 연구에서는 NP-세포 상호작용에 대한 소수성의 영향을 조사하기 위해 시뮬레이션 접근이 적용되었습니다. 친수성 나노입자는 감싸고 있는 반면, 소수성 나노입자는 막에 직접 침투하여 이중층의 내부 소수성 코어에 매립되는 것으로 관찰되었습니다[139].

혼합 지질/고분자 막과의 QDNP 상호작용은 NP의 소수성 표면을 변화시켜 평가하였다. 소수성 NP는 막의 혼합 지질/고분자 단층에서 고분자 도메인 내에 위치하는 반면, 친수성 QDNP는 단층에 흡착되어 전체에 퍼져 공기/물 계면에서 분자 패킹에 더 높은 영향을 나타내는 것으로 관찰되었습니다[140] . 소수성 및 친수성 리간드가 혼합된 기능화된 AuNP를 리포솜 벽에 통합하는 것이 연구되었습니다. 결과는 소수성 리간드가 이중층의 소수성 코어와 상호작용하는 반면 친수성 리간드는 수용액과 상호작용한다는 것을 보여주었다[141].

표면 수정 효과

NP의 생의학 응용에서 NP의 표면 화학적 변형은 독성을 감소시키고 안정성을 증가시키며 NP의 세포 내재화를 제어하고 조절하여 생물학적 운명을 조절하는 데 사용되는 중요한 단계입니다[142]. NP의 표면 기능화는 주로 PEG, 음의 카르복실(-COOH) 기, 하이드록실(-OH) 기 같은 중성 관능기 및 포지티브 아민(-NH2) 기로 구성됩니다. (-NH2) 양의 증가는 표면 양전하를 증가시켜 NP가 세포로 흡수되는 것을 증가시킨다[143,144,145,146]. 유사하게, -COOH 작용기는 NP의 음전하를 증가시키고 그에 따라 흡수를 향상시킨다[144].

Tao et al. [147]은 종양 표적화를 위해 폴리도파민 기능화된 NP-압타머 생체접합체를 설계했습니다. 그들은 기능화된 NP가 비기능화된 NP에 비해 더 나은 표적화 효능을 가지고 있다고 보고했으며, 이는 향상된 치료 효과로 해석되는 기능화된 NP에 대한 더 높은 세포 흡수율을 나타냅니다. 또 다른 연구에서 엽산 기능이 있는 나노입자는 비기능화된 나노입자보다 자궁경부암 세포를 표적으로 삼는 데 더 높은 효능을 보였습니다[148]. AuNPs의 독성과 세포 흡수에 대한 표면 코팅의 영향은 Qiu와 동료들에 의해 연구되었습니다[90]. 그들은 폴리(디알릴디메틸 암모늄 클로라이드) 코팅된 AuNR이 세포에 의한 내재화에서 더 높은 효율을 보여주기 때문에 표면 코팅이 세포 흡수율을 결정하는 핵심 요소임을 밝혔습니다.

원래의 폴리스티렌(PS-NP)과 아미노 기능화된 폴리스티렌 NP의 세포 흡수 차이는 Jiang과 동료에 의해 조사되었습니다[149]. 결과는 아미노 기능화된 폴리스티렌 NP가 PS-NP보다 더 높은 흡수율을 가지며 전자는 주로 clathrin 매개 경로를 통해 내재화되고 후자는 clathrin-independent endocytosis를 통해 내재화된다는 것을 보여주었습니다. 이 놀라운 차이는 NP와의 세포 상호 작용에서 표면 화학적 변형의 핵심 역할을 강조합니다. 표면 개질 풀러렌, C₆₀ ( C( 쿠) ₂ ) ₂ NP는 시간, 온도 및 에너지 의존적 방식으로 세포내이입을 통해 주로 세포에 의해 내재화되었습니다. C₆₀의 내재화를 위해 선호되는 경로는 클라트린 매개 엔도사이토시스인 것으로 밝혀졌습니다. ( C( 쿠) ₂ ) ₂ NP [150].

탄력성 효과

NP 재생의 탄력성은 세포에 의한 내재화에 영향을 미치는 본질적인 요소입니다. NP의 탄성은 힘이 가해질 때 변화에 대한 저항으로 설명될 수 있습니다. 강성, 경도 및 강성은 NP의 탄성을 설명할 때 동의어인 용어 중 일부입니다. NP의 탄성을 측정하기 위해 사용되는 측정 지표는 영률(Young's modulus)이고 측정 단위는 파스칼(Pa)입니다. 이 측정을 기반으로 하여 Young's modulus 값이 높을수록 NPs 탄성이 높고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. NP에서 이 값을 측정하는 데 사용되는 분석 장치 또는 기기의 예로는 원자력 현미경, 레오미터 및 나노인덴터가 있습니다. 더 높은 탄성 값을 갖는 NP를 경질 NP라고 하며 이러한 NP의 예로는 금 NP, 양자점 및 자기 NP가 있습니다. 더 낮은 탄성 값을 갖는 NP를 연성 NP라고 하며, 이들의 예로는 하이드로겔, 리포솜 및 생분해성 고분자가 있습니다.

세포 흡수와 관련하여 NP의 이 매개변수에 초점을 맞춘 수많은 연구에서 부드러운 NP에 비해 더 뻣뻣한 NP를 더 효율적으로 내부화하는 세포의 선호에 대해 보고했습니다[151, 152]. 분명히, 이 관찰은 NP를 감싸는 데 필요한 변형 에너지가 내재화 과정 전반에 걸쳐 다양함에도 불구하고 더 부드러운 NP에 비해 더 단단한 NP를 감싸는 멤브레인에 의한 더 적은 전체 에너지 소비에 기인합니다. 또한, CGMD(Coarse-Grained Molecular Dynamics) 시뮬레이션을 사용하여 수행된 다양한 탄성을 갖는 NP의 멤브레인 랩핑에 대한 컴퓨터 모델링은 뻣뻣하고 부드러운 NP를 내부화하는 것과 관련된 변형 에너지 변화에 관한 실험적 관찰과 일치합니다[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].