[论文解读] The effects of aggregation and protein corona on the cellular internalization of iron oxide nanoparticles

Muhammad Asim Safi, Jérémie Courtois+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2011

Nanoparticle-Based Drug Delivery参考文献 44被引用 4

一句话总结

本研究探讨了纳米颗粒聚集和蛋白冠形成对铁氧化物纳米颗粒细胞摄取的影响。通过用聚丙烯酸取代柠檬酸涂层，作者证明了胶体稳定性增强、蛋白冠形成减少，且内化动力学发生改变——表明聚合物涂层颗粒可避免快速表面吸附，转而实现更受控的内吞摄取，与柠檬酸涂层颗粒相比，显著减少了非特异性膜结合。

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.

研究动机与目标

• 理解在生理条件下，纳米颗粒聚集和蛋白冠形成如何影响铁氧化物纳米颗粒的细胞内化。
• 评估表面涂层化学性质（柠檬酸与聚丙烯酸）对血清介质中胶体稳定性的影响。
• 比较纳米颗粒与人淋巴母细胞样细胞相互作用的动力学和机制。
• 量化铁氧化物纳米颗粒在表面吸附与内吞内化之间的分配比例。
• 评估持久性表面吸附纳米颗粒在调节细胞摄取动力学中的作用。

提出的方法

• 合成表面包覆柠檬酸或聚丙烯酸的铁氧化物纳米颗粒，以比较其胶体稳定性。
• 通过动态光散射和ζ电位测量，评估在胎牛血清和生理缓冲液中的分散稳定性。
• 采用透射电子显微镜（TEM）观察纳米颗粒在细胞膜表面及内吞细胞器内的定位。
• 利用流式细胞术定量细胞内铁含量，并区分表面吸附与内化的纳米颗粒。
• 应用细胞计数数据，计算随时间推移表面吸附与内化铁之间的分配比例。
• 在相同生理条件下进行比较，以隔离涂层化学性质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 表面涂层的选择（柠檬酸与聚丙烯酸）在含血清介质中如何影响铁氧化物纳米颗粒的胶体稳定性？
• RQ2 柠檬酸涂层与聚合物涂层铁氧化物纳米颗粒之间的蛋白冠形成程度有何差异？
• RQ3 纳米颗粒与人淋巴母细胞样细胞相互作用的动力学和机制是什么？
• RQ4 两种纳米颗粒在表面吸附与内吞内化之间的分配比例有何差异？
• RQ5 表面吸附纳米颗粒在调节细胞摄取动力学中起什么作用？

主要发现

• 柠檬酸涂层的铁氧化物纳米颗粒在胎牛血清中迅速聚集并失稳，导致在细胞膜上发生大量且快速的吸附。
• 聚丙烯酸涂层纳米颗粒表现出更优的胶体稳定性，在血清中保持分散，无显著聚集。
• 聚合物涂层纳米颗粒表现出极少的蛋白冠形成，使其在生物环境中保持表面特性。
• 流式细胞术结果显示，柠檬酸涂层颗粒中吸附于细胞表面的铁含量显著高于内化的铁含量。
• 相比之下，聚丙烯酸涂层颗粒显示出更高的内化铁比例，表明其内吞摄取效率更高。
• TEM成像证实，柠檬酸涂层颗粒主要在质膜上累积，而聚合物涂层颗粒则被观察到位于膜包被的内吞细胞器内。