[論文レビュー] Efficiency of cellular uptake of nanoparticles via receptor-mediated endocytosis

Anand Banerjee, Alexander Berzhkovskii+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2014

Nanoparticle-Based Drug Delivery参考文献 33被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、受容体媒体性エンドサイトーシスを介したナノ粒子の取り込みにおけるサイズ依存効率が、主にタンパク質被膜の組み立てのエネルギー的および動的特性に支配されていると提唱している。これは単にリガンド-受容体結合に起因するのではなく、約50 nmの最適ナノ粒子サイズが被膜の組み立てダイナミクスに有利であるためであり、約200 nmの最大サイズは被膜形成のエネルギー的制約によって決まっている。このため、実験において細胞型、リガンド、NP材料の違いにかかわらず、取り込みに弱い依存関係が見られることが説明できる。

ABSTRACT

Experiments show that cellular uptake of nanoparticles, via receptor-mediated endocytosis, strongly depends on nanoparticle size. There is an optimal size, approximately 50 nm in diameter, at which cellular uptake is the highest. In addition, there is a maximum size, approximately 200 nm, beyond which uptake via receptor-mediated endocytosis does not occur. By comparing results from different experiments, we found that these sizes weakly depend on the type of cells, nanoparticles, and ligands used in the experiments. Here, we argue that these observations are consequences of the energetics and assembly dynamics of the protein coat that forms on the cytoplasmic side of the outer cell membrane during receptor-mediated endocytosis. Specifically, we show that the energetics of coat formation imposes an upper bound on the size of the nanoparticles that can be internalized, whereas the nanoparticle-size-dependent dynamics of coat assembly results in the optimal nanoparticle size. The weak dependence of the optimal and maximum sizes on cell-nanoparticle-ligand type also follows naturally from our analysis.

研究の動機と目的

• 異なる細胞型、リガンド、NP材料の下でも、ナノ粒子の取り込みが約50 nmでピークに達し、200 nmを超えると消失するという長年の謎を解明すること。
• 取り込み効率が主に受容体-リガンド結合の親和性および動力学に支配されているという一般的な見解に挑戦すること。
• 物理的プロセスとしてのタンパク質被膜の組み立て（特にそのエネルギー的およびダイナミクス的特性）が、細胞内取り込みのサイズ依存性を説明できることを示すこと。
• 現在のモデルが単に生化学的結合に基づいているのに対し、実験的観察を統合的に説明できるメカニズム的解釈を提供すること。

提案手法

• 細胞膜の細胞質側に形成される被膜タンパク質の組み立てに焦点を当てた粗視化モデルを構築し、被膜タンパク質のアセンブリを記述する。
• ナノ粒子が被膜に繰り返し結合・解離を試みるプロセスを考慮した内部化の動力学的モデルを導入し、内部化時間τを膜への結合から内部化完了までの平均時間として定義する。
• 成長するピットの幾何学的形状を球欠片モデルで記述し、被膜モノマー数nとピット半径・周囲長の関係を定式化する。ピット縁の利用可能な結合部位数は、f(n) = ρ√[n(N−n)/N] で与えられる。
• 膜の曲げエネルギー、被膜の弾性、結合エネルギー、縁エネルギー（ラインテ一ション）を組み込んだ自由エネルギーF(n)を、被膜モノマー数nの関数として導出する。
• 実験データから得られたパラメータを用いて、ナノ粒子サイズの関数としての平均内部化時間τを予測する。
• 単一粒子解像度でナノ粒子とクロラチン被膜ピットを同時に追跡可能な、二色同時全内部全反射顕微鏡（TIRF）を用いた実験的検証を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ受容体媒体性エンドサイトーシスを介したナノ粒子の細胞内取り込みが、多様な実験系において約50 nmの直径でピークに達するのか？
• RQ2 ナノ粒子のサイズに上限（約200 nm）が存在する物理的メカニズムは何か？ それ以上になると受容体媒体性エンドサイトーシスが失敗するのはなぜか？
• RQ3 なぜ実験的観察において、最適サイズおよび最大サイズが細胞型、リガンド、NP材料にほとんど依存しないのか？
• RQ4 タンパク質被膜の組み立ての動力学およびエネルギー的特性は、ナノ粒子の内部化時間および効率にどのように影響を与えるか？
• RQ5 受容体-リガンド結合に基づくモデルとは対照的に、被膜の組み立てダイナミクスに基づくモデルが、サイズ依存の取り込み傾向をよりよく説明できるか？

主な発見

• 最適ナノ粒子サイズは約50 nmであり、これはナノ粒子の結合時間と被膜の組み立てダイナミクスの速度のバランスに起因する。
• 受容体媒体性エンドサイトーシスによる内部化が可能な最大ナノ粒子サイズは約200 nmであり、これはピット形成に伴う膜および被膜の曲げエネルギーのコストによって制限されている。
• 最適および最大サイズが細胞型、リガンド、NP材料に弱く依存する理由は、モデルが被膜の組み立てに焦点を当てており、これが細胞型を問わず保存的であるため、自然に説明できる。
• 平均内部化時間τは、τ = (τ₀ + P_w τ_w + P_f τ_f)/P_w として導出される。ここでτ₀は被膜の組み立て開始までの時間、τ_wは成功した結合後の内部化完了までの時間、τ_fは失敗後に再結合するまでの時間である。
• 成長するピット縁の利用可能な結合部位数f(n)は、被膜モノマー数nの増加に伴い増加し、中間的なnでピークに達する。このため、サイズ依存の効率が説明できる。
• モデルは、リガンド密度の増加が内部化速度を向上させるのではなく、膜上での留在時間を延長することで取り込みを促進すると予測しており、これは実験観察と整合的である。