[論文レビュー] The effects of aggregation and protein corona on the cellular internalization of iron oxide nanoparticles

Muhammad Asim Safi, Jérémie Courtois+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2011

Nanoparticle-Based Drug Delivery参考文献 44被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、酸化鉄ナノ粒子の細胞内への取り込みに及ぼすナノ粒子の凝集およびタンパク質コーラの形成の影響を調査する。シトラート被膜をポリアクリル酸に置き換えることで、著者らはコロイド的安定性の向上、タンパク質コーラ形成の低減、および内部化ダイナミクスの変化を実証した。これは、ポリマー被膜粒子が急速な表面吸着を回避し、代わりにより制御されたエンドサイトーシスによる取り込みを可能にし、シトラート被膜粒子と比較して非特異的膜結合を顕著に低減することを示している。

ABSTRACT

Engineered inorganic nanoparticles are essential components in the development of nanotechnologies. For applications in nanomedicine, particles need to be functionalized to ensure a good dispersibility in biological fluids. In many cases however, functionalization is not sufficient : the particles become either coated by a corona of serum proteins or precipitate out of the solvent. In the present paper, we show that by changing the coating of iron oxide nanoparticles from a low-molecular weight ligand (citrate ions) to small carboxylated polymers (poly(acrylic acid)), the colloidal stability of the dispersion is improved and the adsorption/internalization of iron towards living mammalian cells is profoundly affected. Citrate-coated particles are shown to destabilize in all fetal-calf-serum based physiological conditions tested, whereas the polymer coated particles exhibit an outstanding dispersibility as well as a structure devoid of protein corona. The interactions between nanoparticles and human lymphoblastoid cells are investigated by transmission electron microscopy and flow cytometry. Two types of nanoparticle/cell interactions are underlined. Iron oxides are found either adsorbed on the cellular membranes, or internalized into membrane-bound endocytosis compartments. For the precipitating citrate-coated particles, the kinetics of interactions reveal a massive and rapid adsorption of iron oxide on the cell surfaces. The quantification of the partition between adsorbed and internalized iron was performed from the cytometry data. The results highlight the importance of resilient adsorbed nanomaterials at the cytoplasmic membrane.

研究の動機と目的

• 生理的条件下におけるナノ粒子の凝集およびタンパク質コーラ形成が、酸化鉄ナノ粒子の細胞内への取り込みに与える影響を理解すること。
• 表面被膜化学（シトラート対ポリアクリル酸）が血清含有媒体におけるコロイド的安定性に与える影響を評価すること。
• ヒトリンフォブロストイド細胞とのナノ粒子相互作用のキネティクスおよびメカニズムを比較すること。
• 酸化鉄ナノ粒子の表面吸着とエンドサイトーシス内因性化の間の分配比を定量すること。
• 耐性のある表面に吸着したナノ粒子が、細胞内取り込みダイナミクスをどのように調節するかを評価すること。

提案手法

• コロイド的安定性を比較するために、シトラートまたはポリアクリル酸被膜を有する酸化鉄ナノ粒子を合成した。
• 動的光散乱およびゼータ電位測定を用いて、胎児牛血清および生理的バッファー中での分散安定性を評価した。
• 電子線透過顕微鏡（TEM）を用いて、ナノ粒子が細胞膜上およびエンドサイトーシス小胞内にある位置を可視化した。
• 流式細胞計数法を用いて、細胞内の鉄含有量を定量し、表面に吸着した粒子と内因性化した粒子を区別した。
• 細胞計数データを応用して、時間経過に伴う吸着鉄と内因性化鉄の分配比を計算した。
• 同一の生理的条件下で相互作用を比較することで、被膜化学の影響を隔離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シトラート対ポリアクリル酸被膜の選択が、血清含有媒体中における酸化鉄ナノ粒子のコロイド的安定性にどのように影響するか？
• RQ2 シトラート被膜とポリマー被膜の酸化鉄ナノ粒子の間で、タンパク質コーラ形成にどの程度の差が生じるか？
• RQ3 ヒトリンフォブロストイド細胞とのナノ粒子相互作用のキネティクスおよびメカニズムは何か？
• RQ4 2種類のナノ粒子間で、表面吸着とエンドサイトーシス内因性化の分配比はどのように変化するか？
• RQ5 表面に吸着したナノ粒子が、細胞内取り込みダイナミクスを調節する役割を果たすか？

主な発見

• シトラート被膜の酸化鉄ナノ粒子は、胎児牛血清中で急速に凝集し、細胞膜に急速かつ大量に吸着する。
• ポリアクリル酸被膜ナノ粒子は、優れたコロイド的安定性を示し、凝集を著しく示さずに血清中に分散している。
• ポリマー被膜ナノ粒子は、生物学的環境下でもタンパク質コーラ形成が最小限に抑えられ、表面の特性が保持されている。
• 流式細胞計数法の結果、シトラート被膜粒子では、細胞表面に吸着した鉄の割合が、内因性化した鉄よりも顕著に高かった。
• 一方、ポリアクリル酸被膜粒子では、内因性化した鉄の割合が高く、より効率的なエンドサイトーシスによる取り込みが示された。
• TEM画像では、シトラート被膜粒子が主に細胞膜上に蓄積しているのに対し、ポリマー被膜粒子は膜で包まれたエンドサイトーシス小胞内に観察された。