中國學者最新文章：納米顆粒與細胞的交互作用

　　與大塊材料相比, 納米尺度材料有著獨特的光學、電學、力學和生物學性質, 這使得納米顆粒在藥物輸運和腫瘤成像等醫學方面展現出巨大的應用前景. 同時, 愈來愈多的工業化納米顆粒和納米材料的制備, 使得其生物安全性也受到很大的關注. 由于納米顆粒進入體內后的作用發生在細胞層面上, 這要求我們很好地去理解納米顆粒與細胞之間的相互作用. 大量的實驗表明, 納米顆粒吸附在細胞膜表面, 并通過不同方式被細胞所攝取. 納米顆粒的尺寸、形狀、表面化學性質、表面電荷分布、拓撲結構以及顆粒彈性性能等都對兩者間的相互作用有著顯著的影響.

　　近期來自中科院的學者簡要介紹了顆粒進入細胞的路徑, 著重闡述影響顆粒/細胞交互作用的關鍵因素, 并對后續的研究方向進行展望.

　　納米尺度材料是至少在一個維度上介于1~100 nm的材料. 與相同化學組分的大塊材料相比, 納米尺度材料往往展現出奇特的光學、電學、力學和化學性質. 比如石墨烯和碳納米管的電學、力學性能, 金納米顆粒的光學和化學性能等. 這些卓越的性能不僅增加了其在工業方面的應用, 也使得它們在生物醫療領域有著巨大的應用前景. 譬如, 癌癥藥物由于其低溶解度和較差的生物相溶性而限制了它的臨床應用. 發展藥物緩釋系統, 定向地靶向癌細胞并釋放藥物成為一種有效的解決手段.

　　納米顆粒由于其較小的尺寸和較高的比表面積成為藥物緩釋載體的首要候選者. 它們能夠攜帶藥物或者成像劑有效地進入病灶位點, 用來診斷和治療疾病. 一系列的納米顆粒都展現出在生物醫療領域的巨大應用前景. 然而, 在藥物輸運的過程中, 也有較多的問題需要關注.

　　首先顆粒必須具有良好的分散性, 能夠在血液中較長時間地循環并且避免在調理素作用(opsonization)下被巨噬細胞所吞噬. 其次通過顆粒表面修飾的特定配體或局部環境因素的調控, 顆粒能夠靶向癌細胞, 并越過細胞膜這一障礙進入細胞內部. 這一過程主要通過細胞內吞作用來實現. 之后, 內吞的顆粒需要在核內體中分離出來以避免被溶酶體分解. 最后顆粒將藥物釋放到細胞質或細胞器中, 以起到殺滅癌細胞的作用. 研究人員發現此系列過程中, 納米顆粒高效、準確地靶向癌細胞并內化進入細胞顯得特別重要. 正是基于這一背景, 因此需要更好地研究、理解細胞與納米顆粒之間的交互作用.

　　納米顆粒主要通過內吞和滲入的方式進入細胞. 大量的實驗和理論分析表明, 顆粒的尺寸、形狀、化學性質、表面結構、顆粒彈性性能、表面修飾、表面電荷分布等直接影響其與細胞的交互作用. 理解這些因素在兩者交互作用中的角色, 可以幫助我們更好地設計應用于工業和生物醫療領域的納米材料, 使之成為安全、有效的載體.

　　這篇文章就詳細介紹了納米顆粒內化進入細胞的幾種方式, 綜述不同因素對納米顆粒/細胞交互作用的影響.

　　作者總結了不同因素對細胞內吞納米顆粒的影響, 可以看到顆粒的力學性質(如尺寸、形狀、彈性性能)以及表面性質(如化學成分、表面電荷、表面吸附能)對兩者間的交互作用有著顯著的影響. 許多研究結果仍然呈現出不一致性, 比如形狀因素的影響. 這些不一致性與顆粒的材料成分、表面修飾、細胞類型、受體-配體結合強度以及細胞培養環境等有著密切的關系. 進一步地研究兩者相互作用的機理對于藥物緩釋和理解納米材料的毒性都有很大的幫助.

　　未來的研究可以關注這樣幾個方面:

　　(1) 現有的實驗研究都基于最終狀態的觀測, 其中間過程, 包括進入途徑方式等, 都需要利用控制樣本實驗間接推理得出, 亦或利用分子模擬方法得到. 而且實驗結果都是對大量的顆粒和細胞做統計平均, 耗時費力又缺少直觀性. 已有課題組對單個顆粒與細胞的交互作用過程展開實驗研究, 但這方面還亟待發展.

　　(2) 現有的交互作用機理研究多把細胞膜給分離出來單獨考慮, 而沒有把細胞當作一個整體對象加以研究. 此類研究往往忽略了細胞骨架的重組變形等因素. 這對于顆粒尺寸較小或者數量較少的時候適用, 但是隨著顆粒尺寸或者數量的增大, 必須從細胞整體出發去考慮問題. 同時, 現有研究只是局限于顆粒與細胞膜的交互作用, 當顆粒進入到細胞內部之后, 它們是否會與胞內脂質發生交互作用并且影響細胞功能, 譬如對細胞骨架的影響, 這方面尚無系統研究.

　　(3) 大量研究表明細胞所處的力學微環境顯著影響細胞的功能和行為, 譬如基底的力學性質直接影響貼壁細胞的黏附、鋪展和生長功能: 基底表面粗糙度不同可使得黏著斑密度與細胞骨架的分布形式不同, 從而極大的改變細胞黏附程度和鋪展面積. 而這勢必影響細胞對納米顆粒的內吞, 因為細胞骨架通過跨膜蛋白整合素(integrin)與基底相連, 當基底的力學性質發生改變時, 細胞膜上受體蛋白分布、細胞膜內張力及細胞鋪展面積也會發生很大變化, 從而影響納米顆粒與細胞的作用形式. 因此, 研究胞外力學微環境對細胞/納米顆粒交互作用的影響, 對于找到細胞內吞納米顆粒的普遍規律具有很大的挑戰性, 此方面已經有研究但是亟待發展.