[논문 리뷰] The effects of aggregation and protein corona on the cellular internalization of iron oxide nanoparticles

Muhammad Asim Safi, Jérémie Courtois외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 24.

Nanoparticle-Based Drug Delivery참고 문헌 44인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 철 산화나노입자의 응집과 단백질 코팅 형성이 세포 내 침입에 미치는 영향을 조사한다. 시트르산 코팅을 폴리아크릴산로 대체함으로써 저자들은 콜로이드 안정성 향상, 단백질 코팅 형성 감소, 내부화 역학의 변화를 입증한다. 이는 고분자 코팅된 입자가 빠른 표면 흡착을 피하고, 보다 제어된 엔도시토시스를 통해 침입함으로써 시트르산 코팅된 입자에 비해 비특이적 세포막 결합을 크게 감소시킴을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생리적 조건에서 나노입자의 응집과 단백질 코팅 형성이 철 산화나노입자의 세포 내 침입에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 시트르산과 폴리아크릴산의 표면 코팅 화학이 혈청 함유 매체에서의 콜로이드 안정성에 미치는 영향를 평가하기 위해.
• 인간 림프모세포와의 나노입자 상호작용의 동역학과 메커니즘을 비교하기 위해.
• 철 산화나노입자에서 표면 흡착과 엔도시토시스 내재화 사이의 분할 비율을 정량화하기 위해.
• 내성적인 표면 흡착된 나노입자가 세포 내 침입 동역학을 조절하는 데 수행하는 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 콜로이드 안정성을 비교하기 위해 시트르산 또는 폴리아크릴산 코팅을 한 철 산화나노입자를 합성하였다.
• 동적 빛산산도 분석 및 제타 전위 측정을 통해 태반배양세포 혈청과 생리적 버퍼에서의 분산 안정성을 평가하였다.
• 전자현미경(TEM)을 사용하여 세포막 및 엔도시토시스 세포소기관 내 나노입자의 국소화를 시각화하였다.
• 세포 내 철 농도를 정량화하고 표면 흡착된 입자와 내재화된 입자를 구분하기 위해 유세포 분석을 수행하였다.
• 세포 분석 데이터를 적용하여 시간에 따른 흡착된 철과 내재화된 철 사이의 분할 비율을 계산하였다.
• 동일한 생리적 조건에서 상호작용을 비교함으로써 코팅 화학의 영향을 고립시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시트르산 코팅과 폴리아크릴산 코팅의 선택이 혈청 함유 매체에서 철 산화나노입자의 콜로이드 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 시트르산 코팅된 나노입자와 고분자 코팅된 나노입자 간의 단백질 코팅 형성 정도는 어느 정도로 다를까?
• RQ3 인간 림프모세포와의 나노입자 상호작용의 동역학과 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 두 나노입자 유형 간에 표면 흡착과 엔도시토시스 내재화 사이의 분할 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 표면 흡착된 나노입자가 세포 내 침입 동역학을 조절하는 데 수행하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 시트르산 코팅된 철 산화나노입자는 태반배양세포 혈청에서 급속하게 응집되고 불안정해지며, 세포막에 급속한 대량의 흡착을 초래한다.
• 폴리아크릴산 코팅된 나노입자는 뛰어난 콜로이드 안정성을 보이며 혈청에서 응집 없이 분산되어 있다.
• 고분자 코팅된 나노입자는 최소한의 단백질 코팅 형성을 보이며 생물학적 환경에서 표면 정체성을 유지한다.
• 유세포 분석 결과, 시트르산 코팅된 입자는 내재화된 철보다 표면에 흡착된 철의 비율이 유의미하게 높았다.
• 반대로, 폴리아크릴산 코팅된 입자는 더 높은 비율의 내재화된 철을 보이며 더 효율적인 엔도시토시스 내재화를 나타냈다.
• TEM 영상에서 시트르산 코팅된 입자는 주로 세포막에 축적된 반면, 고분자 코팅된 입자는 막에 둘러싸인 엔도시토시스 세포소기관 내에서 관찰되었다.