[论文解读] Pulmonary surfactant inhibition of nanoparticle uptake by alveolar epithelial cells

Milad Radiom, Matthieu Sarkis+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2020

Inhalation and Respiratory Drug Delivery参考文献 55被引用 64

一句话总结

本研究证明，肺表面活性物质显著降低肺泡上皮细胞（A549 和 NCI-H441）对带正电荷的二氧化硅纳米颗粒的摄取，抑制程度高达两个数量级。通过使用玻璃盖玻片和空气-液体界面 Transwell 模型的体外实验，研究人员表明，表面活性物质与纳米颗粒形成保护性聚集体，减少细胞相互作用和摄取，该结果经荧光显微镜和共聚焦显微镜验证，显示纳米颗粒与细胞内脂质囊泡存在共定位。

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.

研究动机与目标

• 研究肺表面活性物质在肺泡区域作为抵御吸入纳米颗粒的物理屏障的作用。
• 评估表面活性物质对两种肺泡上皮细胞模型（A549 和 NCI-H441）中纳米颗粒摄取的影响。
• 比较在标准培养条件（玻璃盖玻片）与空气-液体界面（Transwell）下纳米颗粒摄取的差异，以评估其生理相关性。
• 确定表面活性物质-脂质相互作用是否改变纳米颗粒的沉降行为及有效细胞剂量。
• 评估表面活性物质浓度对纳米颗粒-细胞相互作用及摄取效率的影响。

提出的方法

• 采用 Curosurf®（临床表面活性物质替代品）与带正电荷的氨基化二氧化硅纳米颗粒相结合的模型系统。
• 在玻璃盖玻片和空气-液体界面（Transwell）条件下，对 A549 和 NCI-H441 细胞进行暴露实验。
• 利用荧光显微镜通过测量荧光强度随时间的变化来定量纳米颗粒摄取。
• 通过共聚焦显微镜分析细胞内荧光纳米颗粒与脂质标记的表面活性物质囊泡的共定位。
• 使用透射电子显微镜（TEM）观察纳米颗粒-表面活性物质相互作用及纳米颗粒被内吞进入囊泡结构的过程。
• 通过动态光散射（DLS）测量表面活性物质存在下纳米颗粒的聚集情况及流体动力学尺寸变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 肺表面活性物质如何影响肺泡上皮细胞对带正电荷的二氧化硅纳米颗粒的摄取？
• RQ2 表面活性物质的存在是否改变纳米颗粒的沉降特性或递送到上皮细胞的有效剂量？
• RQ3 不同培养模型（玻璃 vs. Transwell）在表面活性物质存在下如何影响纳米颗粒摄取？
• RQ4 表面活性物质-脂质聚集体在多大程度上减少纳米颗粒内吞？该效应是否具有剂量依赖性？
• RQ5 在表面活性物质存在下，A549 与 NCI-H441 细胞在纳米颗粒摄取方面是否存在差异？

主要发现

• 无论培养基质或界面条件如何，肺表面活性物质在 A549 和 NCI-H441 细胞中均将纳米颗粒摄取减少高达两个数量级。
• 在 Curosurf® 与纳米颗粒的混合比例 X = 2 时，摄取量降至对照组（纯纳米颗粒）的 1.5–2.1%，且在 X = 20 时无进一步降低。
• 共聚焦显微镜证实，细胞内纳米颗粒与表面活性物质脂质存在共定位，表明表面活性物质直接参与摄取的调控。
• 透射电镜成像显示，纳米颗粒与表面活性物质囊泡形成混合聚集体，并被包裹在脂质包被的结构内被内吞。
• NCI-H441 细胞摄取量低于 A549 细胞——在 Transwell 条件下仅内吞 2% 的颗粒——表明其因紧密连接结构而具有更好的内在保护作用。
• 表面活性物质-脂质复合物改变了纳米颗粒的沉降行为，可能由于与囊泡密度匹配，从而降低有效细胞暴露量。