[논문 리뷰] Efficiency of cellular uptake of nanoparticles via receptor-mediated endocytosis

Anand Banerjee, Alexander Berzhkovskii외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 27.

Nanoparticle-Based Drug Delivery참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 수용체 매개 내포작용을 통한 나노입자 흡수의 치수 의존성 효율성이 단지 리간드-수용체 결합이 아닌 단백질 코팅 조립의 에너티크스와 동역학에 의해 주로 결정된다고 제안한다. 연구는 유리한 코팅 조립 동역학 덕분에 약 ~50 nm의 최적 나노입자 크기가 흡수를 최대화하며, 코팅 형성의 에너티크스에 의해 ~200 nm의 최대 크기가 제한된다고 밝혀내어, 다양한 실험에서 세포 유형, 리간드 또는 나노입자 재료에 대해 약한 의존성을 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 세포 유형, 리간드, 나노입자 재료가 존재함에도 불구하고 나노입자 흡수가 약 ~50 nm에서 피크에 도달하고 ~200 nm 이상에서는 멈추는 오랫동안 미해결된 수수께끼를 해결하기 위해.
• 흡수 효율성이 주로 수용체-리간드 결합 친화도와 동역학에 의해 결정된다는 기존의 견해에 도전하기 위해.
• 물리적 과정인 단백질 코팅 조립(특히 그 에너티크스와 동역학)이 세포 흡수의 관찰된 치수 의존성에 의해 설명된다는 것을 입증하기 위해.
• 현재의 생화학적 결합에 기반한 모델이 포착하지 못하는 실험 관찰을 통합적인 기계적 메커니즘으로 설명하기 위해.

제안 방법

• 세포막의 세포질 측면에서 단백질 코팅 조립에 초점을 맞춘 클라트린 매개 내포작용의 거친 구조 모델을 개발한다.
• 반복적인 결합 및 해리 尝시도를 고려한 내부화의 동역학 모델을 도입하며, 내부화 시간은 막에 부착된 후 내부화가 완료될 때까지의 평균 시간으로 정의된다.
• 성장 중인 함몰부 기하학을 구형 캡 모델로 기술하며, 코팅 단량체 수 n과 함몰부 반지름 및 둘레 사이의 관계를 제시한다. 함몰부 가장자리의 이용 가능한 결합 부위 수는 f(n) = ρ√[n(N−n)/N]로 주어진다.
• 막 굽힘 에너지, 코팅 탄성, 결합 에너지, 선형 장력 등을 포함한 자유 에너지 F(n)를 코팅 단량체 수 n의 함수로 유도한다.
• 실험 데이터로부터 유도된 매개변수를 사용하여 나노입자 크기 함수로 평균 내부화 시간 τ를 예측한다.
• 단일 입자 수준에서 나노입자와 클라트린 코팅 함몰부를 동시에 추적할 수 있는 双색 총내반사형 광학 현미경(TIRF)을 이용한 실험적 검증을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 다양한 실험 시스템에서 수용체 매개 내포작용을 통한 나노입자 흡수가 약 ~50 nm 직경에서 피크에 도달하는가?
• RQ2 왜 수용체 매개 내포작용이 ~200 nm를 초과하는 나노입자에 대해 실패하는가? 이에 영향을 주는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 왜 실험 관찰에서 최적 및 최대 나노입자 크기가 세포 유형, 리간드 또는 나노입자 재료에 대해 약한 의존성을 보이는가?
• RQ4 단백질 코팅 조립의 동역학과 에너티크스는 나노입자의 내부화 시간과 효율성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 코팅 조립 동역학에 기반한 모델이 단지 수용체-리간드 결합에 기반한 모델보다 나노입자 크기 의존성 흡수 경향을 더 잘 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 흡수에 가장 적합한 나노입자 크기는 ~50 nm이며, 이는 나노입자 결합 시간과 코팅 조립 동역학 속도의 균형에서 기인한다.
• 수용체 매개 내포작용을 통해 내부화될 수 있는 최대 나노입자 크기는 ~200 nm이며, 이는 함몰부 형성 중 막과 코팅의 굽힘 에너지 비용에 의해 제한된다.
• 최적 및 최대 크기가 세포 유형, 리간드 또는 나노입자 재료에 대해 약한 의존성을 보이는 것은, 코팅 조립이 세포 유형 간으로 보존된다는 모델의 초점 덕분에 자연스럽게 설명된다.
• 평균 내부화 시간 τ는 τ = (τ₀ + P_w τ_w + P_f τ_f)/P_w 로 유도되며, 여기서 τ₀는 코팅 조립을 시작하는 데 소요되는 시간, τ_w는 성공적인 결합 후 내부화를 완료하는 데 소요되는 시간, τ_f는 실패 후 재결합하는 데 소요되는 시간이다.
• 성장 중인 함몰부 가장자리의 이용 가능한 결합 부위 수 f(n)는 코팅 단량체 수 n이 증가함에 따라 증가하며, 중간 수준의 n에서 피크에 도달한다. 이는 치수 의존성 효율성을 설명한다.
• 모델은 리간드 밀도를 증가시키면 내부화 속도를 증가시키는 것이 아니라, 막에 머무는 시간을 늘림으로써 흡수를 증가시킨다고 예측한다. 이는 실험 관찰에서 관찰된 장기간의 결합과 일치한다.