[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出，纳米颗粒通过受体介导的内吞作用摄取的尺寸依赖性效率主要由蛋白包被组装的动力学和能量学决定，而不仅仅是配体-受体结合。研究证明，约50 nm的最优纳米颗粒尺寸可实现最大摄取效率，这是由于包被组装动力学有利；而约200 nm的上限则由包被形成过程的能量学所决定，从而解释了在不同细胞类型、配体或纳米颗粒材料的实验中摄取效率对这些因素的微弱依赖性。

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.

研究动机与目标

• 解决长期存在的难题：为何纳米颗粒在约50 nm时摄取达到峰值，且在超过约200 nm后停止摄取，尽管细胞类型、配体和纳米颗粒材料各不相同。
• 挑战当前主流观点，即摄取效率主要由受体-配体结合亲和力和动力学决定。
• 证明物理过程——特别是其热力学和动力学特性——的蛋白包被组装，可解释观察到的摄取效率的尺寸依赖性。
• 为现有实验观测提供统一的机制解释，而这些现象无法被仅基于生化结合的现有模型所捕捉。

提出的方法

• 构建了一个聚焦于膜胞质侧蛋白包被组装的网格化克鲁克林介导内吞作用模型。
• 提出一个内吞动力学模型，考虑纳米颗粒与包被之间反复的结合与解离尝试，内吞时间定义为从膜结合到完全内吞的平均时间。
• 采用球冠模型描述生长中的内陷结构，将包被单体数n与内陷半径和周长相关联，内陷边缘的可用结合位点数由f(n) = ρ√[n(N−n)/N]给出。
• 推导出内陷形成自由能F(n)，作为包被单体数n的函数，包含膜弯曲能、包被弹性能、结合能和线张力。
• 利用从实验数据中获得的参数，将模型应用于预测平均内吞时间τ随纳米颗粒尺寸的变化。
• 提出通过双色总内反射荧光（TIRF）显微镜实验进行验证，实现在单颗粒水平上同步追踪纳米颗粒和网格蛋白包被小窝。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在不同实验体系中，通过受体介导内吞作用摄取的纳米颗粒在直径约50 nm时达到峰值？
• RQ2 何种物理机制设定了上限尺寸（约200 nm），使得超过此尺寸的纳米颗粒无法通过受体介导内吞作用被摄取？
• RQ3 为何实验观测中最佳尺寸和最大尺寸对细胞类型、配体或纳米颗粒材料的依赖性极弱？
• RQ4 蛋白包被组装的动力学和热力学特性如何影响纳米颗粒的内吞时间和效率？
• RQ5 基于包被组装动力学的模型，是否能比仅基于受体-配体结合的模型更好地解释尺寸依赖性摄取趋势？

主要发现

• 最佳摄取效率的纳米颗粒尺寸约为50 nm，这是由纳米颗粒结合时间与包被组装动力学速率之间的平衡所决定。
• 通过受体介导内吞作用可被摄取的最大纳米颗粒尺寸约为200 nm，受限于内陷形成过程中膜和包被弯曲的能量成本。
• 最佳尺寸和最大尺寸对细胞类型、配体或纳米颗粒材料的微弱依赖性，可通过模型聚焦于跨细胞类型保守的包被组装过程自然解释。
• 平均内吞时间τ的表达式为τ = (τ₀ + P_w τ_w + P_f τ_f)/P_w，其中τ₀为启动包被组装的时间，τ_w为成功结合后完成内吞的时间，τ_f为失败后重新结合的时间。
• 随着包被单体数n的增加，内陷边缘的可用结合位点数f(n)也随之增加，在中间n值时达到峰值，这解释了尺寸依赖性效率的机制。
• 模型预测，提高配体密度可增强摄取效率，并非通过加快内吞速率，而是通过延长纳米颗粒在膜上的停留时间，与实验观察中结合时间延长的现象一致。