[논문 리뷰] Pulmonary surfactant inhibition of nanoparticle uptake by alveolar epithelial cells

Milad Radiom, Matthieu Sarkis외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 20.

Inhalation and Respiratory Drug Delivery참고 문헌 55인용 수 64

한 줄 요약

이 연구는 폐 표면활성물질이 폐포 상피세포(A549 및 NCI-H441)에 의한 양전하를 띤 실리카 나노입자의 적입을 크게 감소시켜 내부화를 최대 두 계급 감소시킴을 입증한다. 유리 커버슬립 및 공기-액체 계면 트랜스웰을 사용한 in vitro 모델을 통해 연구자들은 표면활성물질이 나노입자와 함께 보호적 응집체를 형성하여 세포 상호작용과 적입을 감소시킴을 보여주었으며, 형광 및 공형광 현미경을 통해 세포 내 나노입자와 지질 소포의 공존을 확인하였다.

ABSTRACT

Pulmonary surfactant forms a sub-micrometer thick fluid layer that covers the surface of alveolar lumen and inhaled nanoparticles therefore come in to contact with surfactant prior to any interaction with epithelial cells. We investigate the role of the surfactant as a protective physical barrier by modeling the interactions using silica-Curosurf-alveolar epithelial cell system in vitro. Electron microscopy displays that the vesicles are preserved in the presence of nanoparticles while nanoparticle-lipid interaction leads to the formation of mixed aggregates. Fluorescence microscopy reveals that the surfactant decreases the uptake of nanoparticles by up to two orders of magnitude in two models of alveolar epithelial cells, A549 and NCI-H441, irrespective of immersed culture on glass or air-liquid interface culture on transwell. Confocal microscopy corroborates the results by showing nanoparticle-lipid colocalization interacting with the cells. Our work thus supports the idea that pulmonary surfactant plays a protective role against inhaled nanoparticles. The effect of surfactant should therefore be considered in predictive assessment of nanoparticle toxicity or drug nanocarrier uptake. Models based on the one presented in this work may be used for preclinical tests with engineered nanoparticles.

연구 동기 및 목표

• 흡입된 나노입자에 대한 폐 표면활성물질의 폐포 영역에서의 물리적 장벽 역할을 조사하기 위해.
• 표면활성물질이 A549 및 NCI-H441 두 가지 폐포 상피세포 모델에서 나노입자 적입에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기본 배양 조건(Glass coverslip)과 공기-액체 계면(Transwell) 조건을 비교하여 생리학적 관련성을 평가하기 위해.
• 표면활성물질-지질 상호작용이 나노입자의 침강 및 세포에 도달하는 유효 용량에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 표면활성물질 농도가 나노입자-세포 상호작용 및 적입 효율성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• Curosurf®(임상적 표면활성물질 대체제)와 양전하를 띤 아민기 기능을 가진 실리카 나노입자를 조합한 모델 시스템을 사용하였다.
• A549 및 NCI-H441 세포를 유리 커버슬립과 공기-액체 계면 조건에서 배양한 후 노출 실험을 수행하였다.
• 형광 현미경을 활용해 시간에 따른 형광 강도 측정을 통해 나노입자 적입을 정량화하였다.
• 공형광 현미경을 통해 세포 내에서 형광 표지된 나노입자와 지질 라벨링된 표면활성물질 소포의 공존을 분석하였다.
• 전자현미경(TEM)을 사용해 나노입자-표면활성물질 상호작용 및 소포에 둘러싸인 내부화를 시각화하였다.
• 동적광산산도 분석(DLS)을 수행해 표면활성물질 존재 시 나노입자의 응집 및 수성 크기 변화를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폐 표면활성물질은 폐포 상피세포에 의한 양전하를 띤 실리카 나노입자의 적입에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 표면활성물질 존재 시 나노입자의 침강 프로파일 또는 세포에 도달하는 유효 용량이 변화하는가?
• RQ3 다른 배양 모델(Glass vs. Transwell)이 표면활성물질 존재 시 나노입자 적입에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표면활성물질-지질 응집체가 나노입자의 내부화를 얼마나 감소시키며, 이 효과는 농도 의존적인가?
• RQ5 표면활성물질 존재 시 A549와 NCI-H441 세포 간 나노입자 적입에 차이가 있는가?

주요 결과

• 표면활성물질은 유리 기질 또는 계면 조건에 관계없이 A549 및 NCI-H441 세포에서 나노입자 적입을 최대 두 계급 감소시켰다.
• Curosurf®와 나노입자의 혼합 비율 X = 2일 때, 적입은 대조군(순수 나노입자)의 1.5–2.1%로 감소하였으며, X = 20일 때는 추가 감소가 관찰되지 않았다.
• 공형광 현미경을 통해 세포 내에서 나노입자와 표면활성물질 지질 간의 공존을 확인하여, 표면활성물질이 적입 조절에 직접 관여하고 있음을 입증하였다.
• TEM 영상에서 나노입자들이 표면활성물질 소포와 함께 혼합 응집체를 형성하고, 지질에 둘러싸인 구조물 내로 내부화된 것을 관찰하였다.
• NCI-H441 세포는 A549 세포보다 적입이 낮았으며, 트랜스웰 조건에서 내부화된 입자의 비율이 오직 2%에 불과하여, 엄격한 접합 구조로 인한 더 높은 내재적 보호 기전을 시사하였다.
• 표면활성물질-지질 복합체 형성이 나노입자의 침강을 변화시켜, 소포와의 밀도 일치로 인해 세포에 도달하는 유효 노출을 감소시켰다.