Einblick in die zelluläre Aufnahme und den intrazellulären Transport von Nanopartikeln

Einführung

Nanopartikel (NPs) sind eine Unterkategorie von Nanomaterialien, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und ihrer enormen Anwendbarkeit derzeit in fast allen erdenklichen Bereichen an der Spitze der Spitzenforschung stehen [1,2,3,4]. In einem Technologiemarktforschungsbericht mit dem Titel „Global NP Market Outlook 2020“ von RNCOS wurde berichtet, dass der Markt für NPs im Zeitraum 2015–2020 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 16 % wachsen wird. Die NP-Technologie hat mit ihrem schnell wachsenden Anwendungsrepertoire eine einzigartige Nische im Bereich der Biomedizin und Biotechnologie gefunden [5, 6]. Beispielsweise wurden NPs für den Wirkstoff- und Gentransport [7, 8] Biodetektion von Pathogenen [9], Proteinnachweis [10], Tissue Engineering [11, 12], Tumorbildgebung und -targeting [13], Tumorzerstörung durch Hyperthermie [14] und MRT-Kontrastverstärkung [15].

Aufgrund ihrer geringen Größe können NPs leicht in die Zellen eindringen und sich über die Zellen, Gewebe und Organe hinweg bewegen. Nanopartikel werden häufig in biomedizinischen Anwendungen verwendet, da sie die biologische Barriere passieren und in die Zelle eindringen können, um ihre Funktion auszuüben. Wie ein zweischneidiges Schwert ergeben sich jedoch auch die potenziellen Risiken (d. h. negative Wirkung) von NP aus dieser Fähigkeit [16, 17]. Trotz ihrer „kleinen“ Größe können NPs als polare Moleküle nicht durch die Zellmembran (CM) diffundieren. Da die CM meist für kleine und unpolare Moleküle durchlässig ist, nutzen NPs endozytotische Wege, um in die Zellen einzudringen [18, 19]. Die Art und Weise, wie Nanopartikel in die Zelle gelangen, ist ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung ihrer biomedizinischen Funktionen, Bioverteilung und Toxizität. In der Nanomedizin ist der sichere Eintritt von Nanopartikeln in die Zellen ein entscheidender Schritt, um eine hohe therapeutische Wirksamkeit zu erzielen. Darüber hinaus ist der intrazelluläre Transport und das Schicksal von NPs ein entscheidender Prozess für den Erfolg von NPs, wenn man bedenkt, dass diese Träger darauf abzielen, auf spezifische subzelluläre Kompartimente abzuzielen und spezifische Biomoleküle wie Kontrastmittel, Gene und Medikamente zu liefern [18, 20, 21, 22 ]. Noch wichtiger ist, dass die Induktion der Zytotoxizität durch NPs durch ihren Eintrittsweg und die intrazelluläre Lokalisation bestimmt wird. Daher ist das Verständnis der zellulären Aufnahme und des intrazellulären Transports von Nanopartikeln entscheidend für die Entwicklung sicherer und effizienter Nanomedikamente [23].

Die zelluläre Aufnahme, das Targeting und der intrazelluläre Transport von NPs können durch Abstimmung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von NP wie Größe, Form und Oberflächeneigenschaften optimiert werden [24]. Daher ist die Kenntnis der zugrunde liegenden Mechanismen der zellulären Aufnahme entscheidend, um das Schicksal von Nanopartikeln und ihre Toxizität zu beurteilen. Dieser Aufsatz beleuchtet die verschiedenen möglichen Aufnahmewege von NPs und ihre intrazellulären Transportwege. Darüber hinaus werden auch die Auswirkungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften von NP wie Größe, Form, Ladung und Oberflächenchemie auf seine Internalisierung durch Zellen untersucht. Das Verständnis der physikalisch-chemischen Eigenschaften von NPs in Bezug auf ihren zellulären Aufnahmemechanismus wird es uns ermöglichen, funktionelle NPs zu entwickeln, die für biomedizinische Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind, z und Organe.

Zelluläre Aufnahmewege von NPs

Die CM, auch Plasmamembran genannt, umschließt das Zytoplasma, indem sie die intrazelluläre von der extrazellulären Flüssigkeit ablöst. CM ist immens wichtig, da sie intrazelluläre Komponenten schützt, die Zellhomöostase aufrechterhält, strukturelle Unterstützung verleiht und die Zusammensetzung der Zelle beibehält [25,26,27,28,29]. CM besteht aus Phospholipiden, die in einer Doppelschicht mit eingebetteten Proteinen angeordnet sind. Diese Phospholipid-Doppelschichten ermöglichen mit ihren hydrophilen Köpfen und hydrophoben Schwänzen den Eintritt kleiner Biomoleküle. Genauer gesagt ist die CM eine selektiv durchlässige Barriere, die den Durchgang von Substanzen in die Zelle kontrolliert [30, 31]. Die CM verwendet verschiedene Mechanismen zum Austausch von Substanzen, die hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt werden:passiver Transport und aktiver Transport. Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid, hydrophobe Moleküle wie Benzol und ungeladene Moleküle wie Wasser und Ethanol diffundieren aus den Bereichen höherer zu niedrigerer Konzentration durch die Membran. Diese Art des Transports, der entlang des Konzentrationsgradienten verläuft und ohne Hilfe von Energie abläuft, wird als passiver Transport bezeichnet. Im Gegensatz dazu erfolgt der aktive Transport gegen den Konzentrationsgradienten, indem Energie verwendet wird, die von Adenosintriphosphat (ATP) bereitgestellt wird [32,33,34,35,36].

Polare oder geladene Biomoleküle, die die hydrophobe Plasmamembran nicht passieren können, werden durch eine Form des aktiven Transports, die Endozytose genannt wird, internalisiert. Bei diesem Prozess verschlingt die Zelle die Materialien in der extrazellulären Flüssigkeit durch Einstülpung von CM und knospt innerhalb der Zelle ab, wodurch ein membranbegrenztes Vesikel gebildet wird, das als Endosom bezeichnet wird [37]. Endozytose kann grundsätzlich in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden:Phagozytose und Pinozytose. Phagozytose (Zellfresser) ist der Prozess der Aufnahme von Trümmern, Bakterien oder anderen großen gelösten Stoffen durch spezialisierte Säugetierzellen, die Phagozyten genannt werden (d. h. Monozyten, Makrophagen und Neutrophile) [38, 39].

Integral für die Phagozytose ist ein Prozess namens Opsonisierung, bei dem Opsonine wie Immunglobuline und Komplementproteine ​​die Zielmaterialien umhüllen, um die Phagozyten ihrer Anwesenheit auszulösen und die phagozytotische Aktivität zu initialisieren [40]. Wenn die Fresszelle beginnt, das Zielmaterial aufzunehmen, stimuliert sie gleichzeitig die Bildung eines membrangebundenen Vesikels namens Phagosom, in das die aufgenommenen Materialien innerhalb der Fresszelle unterteilt werden. In den letzten Stadien dieses Prozesses verschmilzt das Phagosom mit dem Lysosom und die Materialien werden bei saurem pH durch die hydrolytischen Enzyme, die im lysosomalen Lumen enthalten sind, verdaut [41,42,43].

Bei allen Zelltypen werden kleine Partikel im Nanometerbereich durch Pinocytose internalisiert [44]. Bei der Pinozytose bildet die Plasmamembran des „zellulären Trinkens“ eine Einstülpung, um einen kleinen Tropfen extrazellulärer Flüssigkeit mit darin gelösten Molekülen aufzunehmen. Die Pinozytose ist kein diskriminierender Prozess und tritt in fast allen Zellen kontinuierlich auf, unabhängig von den Bedürfnissen der Zelle. Die aufgenommenen Substanzen werden in kleine Vesikel abgeschnürt, die Pinosom genannt werden, die mit Lysosomen fusionieren, um den Inhalt zu hydrolysieren oder abzubauen [45, 46]. Phagozytose und Pinozytose können anhand der Größe ihrer endozytotischen Vesikel unterschieden werden; erstere umfassen die Aufnahme großer Partikel durch große Vesikel mit einer Größe von 250 nm, und letztere umfassen die Aufnahme von Flüssigkeiten durch kleine Vesikel mit einer Größe im Bereich von wenigen Nanometern bis Hunderten von Nanometern [42, 47]. Pinozytose kann in Clathrin-vermittelte Endozytose, Caveolae-vermittelte Endozytose, Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose und Makropinozytose unterteilt werden [48, 49].

Clathrin-vermittelte Endozytose ist der zelluläre Eintrittsmechanismus, um spezifische Moleküle in die Zellen zu internalisieren. Dieser Eintrittsweg unterstützt die Zellen bei der Aufnahme von Plasmamembrankomponenten und Nährstoffen, einschließlich Cholesterin durch den Low-Density-Lipoproteinrezeptor und Eisen durch den Transferrinrezeptor [50, 51,52,53,54,55,56]. Dabei binden bestimmte Liganden in extrazellulärer Flüssigkeit an die Rezeptoren auf der Oberfläche der CM und bilden einen Ligand-Rezeptor-Komplex. Dieser Ligand-Rezeptor-Komplex wandert in eine spezialisierte Region der CM, die reich an Clathrin ist, wo sie durch die Bildung von Clathrin-beschichteten Vesikeln verschlungen werden. Sobald sie sich in der Zelle befinden, werden Clathrinbeschichtungen auf der Außenseite der Vesikel ausgestoßen, bevor sie mit frühen Endosomen fusionieren. Die Fracht in frühen Endosomen wird schließlich über den endolysosomalen Weg zu den Lysosomen gelangen [40, 57, 58, 59, 60]. Jeder NP-Typ wird von der Zelle bevorzugt über den Aufnahmeweg internalisiert. Zum Beispiel Nanopartikel aus Poly(milchsäure-co-glycolsäure), D,L-polylactid und poly(ethylenglycolco-lactid) und Siliciumdioxid (SiO₂ )-basierte Nanomaterialien werden über den Clathrin-vermittelten endozytotischen Stoffwechselweg internalisiert [61]. Cumarin-basierte Festlipid-NPs werden von den Zellen über einen nicht energieabhängigen Weg internalisiert, da die Struktur dieser NPs der der CM ähnelt. Alle Lipid-basierten NPs nutzen den Clathrin-vermittelten Endozytose-Weg [62]. Die Herceptin-beschichteten Gold-NPs gelangen über eine rezeptorvermittelte Endozytose mittels Membran-ErbB2-Rezeptor in die Zelle [63].

Caveolae-vermittelte Endozytose ist der Weg des Zelleintritts, der flaschenförmige Membraneinstülpungen beinhaltet, die Caveolae (kleine Höhlen) genannt werden. Caveolae sind in Endothelzellen, Epithelzellen, Adipozyten, Muskel- und Fibroblastenzellen vorhanden [64,65,66,67]. Caveolae haben typischerweise eine Größe von 50 bis 80 nm und bestehen aus dem Membranprotein Caveolin-1, das ihnen eine flaschenförmige Struktur verleiht [68,69,70,71]. Die Caveolae-abhängige Endozytose ist an der Zellsignalisierung und Regulation von Membranproteinen, Lipiden und Fettsäuren beteiligt [61, 64, 67]. Sobald Caveolae von der Plasmamembran abgelöst sind, verschmelzen sie mit einem Zellkompartiment namens Caveosomen, das bei neutralem pH existiert. Caveosome sind in der Lage, Lysosomen zu umgehen und schützen so den Inhalt vor hydrolytischen Enzymen und lysosomalem Abbau. Daher nutzen Krankheitserreger, einschließlich Viren und Bakterien, diesen Eintragsweg, um einen Abbau zu verhindern. Da die Fracht, die durch einen Caveolin-abhängigen Mechanismus in die Zellen aufgenommen wird, nicht in das Lysosom gelangt, wird dieser Weg in der Nanomedizin eingesetzt [54, 72, 73, 74].

Clathrin- und Caveolae-unabhängige Endozytose tritt in Zellen auf, denen Clathrin und Caveolin entzogen sind. Dieser Weg wird von Wachstumshormonen, extrazellulärer Flüssigkeit, Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-gebundenen Proteinen und Interleukin-2 genutzt, um in die Zellen einzudringen. Folsäure zum Beispiel, die einen Clathrin- und Caveolae-unabhängigen Weg nutzt, um in die Zellen einzudringen [58, 72, 75, 76, 77, 78,79], wird an NPs und Polymere konjugiert, die in Wirkstoffabgabesystemen und als Bildgebungsmittel verwendet werden [53 , 80, 81]. Makropinozytose ist eine Art von Pinozytose-Mechanismus, bei dem Zellen große Mengen extrazellulärer Flüssigkeit aufnehmen, indem sie ein großes Vesikel (0,5–10 μm) bilden, das Makropinosomen genannt wird [82,83,84,85]. Die Makropinozytose ist ein Weg zur Internalisierung apoptotischer und nekrotischer Zellen, Bakterien und Viren sowie der Antigenpräsentation. Dieser Weg kann mikrometergroße NPs internalisieren, die auf den meisten anderen Wegen nicht in Zellen aufgenommen werden können. Makropinozytose kann in fast allen Zellen auftreten, mit Ausnahme von Hirn-Mikrogefäß-Endothelzellen [86,87,88,89]. NPs gelangen über einen dieser endozytotischen Wege in die Zelle, wie in Abb. 1 dargestellt.

Eintritt von NPs in die Zelle über verschiedene endozytotische Wege. a Makropinozytose und Phagozytose. b Clathrin-vermittelte Endozytose, Clathrin-Caveolin-unabhängige Endozytose und Caveolae-vermittelte Endozytose

Auswirkung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Nanopartikeln auf die zelluläre Aufnahme

Die Untersuchung des Einflusses physikalisch-chemischer Eigenschaften von NPs wie Größe, Form, Oberflächenladung, Oberflächenhydrophobie/Hydrophilie und Oberflächenfunktionalisierung auf die zelluläre Aufnahme ist von entscheidender Bedeutung, da diese Parameter direkt das Aufnahmeniveau, den endozytotischen Weg sowie die Zytotoxizität von NPs beeinflussen. [90, 91]. Physikochemische Faktoren, die die zelluläre Aufnahme von NPs beeinflussen, sind in Abb. 2 dargestellt. Im folgenden Abschnitt wird der Einfluss dieser Parameter auf die Zell-NP-Wechselwirkungen diskutiert.

Physikochemische Faktoren, die die zelluläre Aufnahme von NP beeinflussen. a Oberflächenladung, b Form, c Größe und d Oberflächenchemie

Auswirkung der Größe

Die Größe von NP ist ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Effizienz der zellulären Aufnahme [92] sowie seines toxischen Potenzials auf lebende Zellen [24]. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Größe der NP auch eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Aufnahmeweges spielt. Kleine Nanopartikel mit Größen von wenigen bis zu mehreren hundert Nanometern gelangen über Pino- oder Makropinozytose in die Zellen. NPs im Größenbereich von 250 nm bis 3 μm haben eine optimale in vitro Phagozytose, während NPs mit dem Größenbereich von 120–150 nm über Clathrin- oder Caveolin-vermittelte Endozytose internalisiert werden, und die maximale Größe von NPs Es wurde berichtet, dass dieser Weg 200 nm beträgt [47, 93]. Beim Caveolae-vermittelten Weg behindert die Größe der Caveolae die Aufnahme größerer NPs [16, 17]. Ein bestimmter NP-Typ kann je nach seiner Größe mehrere endozytische Wege nutzen.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass es für die zelluläre Aufnahme von NPs eine optimale Größe von 50 nm gibt, bei der NPs effizienter internalisiert werden und eine höhere Aufnahmerate aufweisen. Es wurde gezeigt, dass die NP-Aufnahme für kleinere Partikel (ca. 15–30 nm) oder größere Partikel (ca. 70–240 nm) abnimmt [94,95,96,97,98,99]. Darüber hinaus interagieren NPs mit einer Größe von 30–50 nm effizient mit CM-Rezeptoren und werden anschließend über eine rezeptorvermittelte Endozytose internalisiert [97]. Bei der Wirkstoffabgabe von NPs besteht das Hauptanliegen darin, zu verhindern, dass die NPs durch das retikuloendotheliale System eliminiert werden, und ihre Zirkulationszeit im Blut zu verlängern, wodurch die Bioverfügbarkeit am Ziel erhöht wird. In dieser Hinsicht führt eine Vergrößerung der NPs zu einer Erhöhung der Clearance-Rate [100,101,102,103,104,105]. Daher ist das Verständnis der Rolle der NP-Größe bei der zellulären Aufnahme entscheidend, um effektive und sichere NPs für medizinische Anwendungen zu entwickeln.

Obwohl verschiedene Studien die Beziehung zwischen der Größe von NP und den Aufnahmewegen untersucht haben, waren die Ergebnisse immer widersprüchlich [93, 106, 107, 108, 109]. Diese Widersprüche können mit der Komplexität der Kontrolle anderer Parameter von NP während des Prozesses der Kontrolle der Größe zusammenhängen. Darüber hinaus können sich die Größen der nach der Synthese gemessenen NPs während der in vitro- und in vivo-Studien aufgrund von Agglomeration und Aggregation ändern, was wiederum die zellulären Internalisierungswege beeinflussen könnte [110, 111]. Der Einfluss der Partikelgröße auf den zellulären Aufnahmeweg in nicht-phagozytischen B16-Zellen wurde untersucht, indem verschiedene Größen von fluoreszierenden Latexkügelchen im Bereich von 50–1000 nm verwendet wurden [93]. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass der Internalisierungsmechanismus dieser Kügelchen signifikant von der Partikelgröße abhängt. Insbesondere Perlen mit einer Größe von 200 nm oder weniger wurden von Clathrin-beschichteten Vertiefungen aufgenommen, während größere Perlen durch Caveolae-vermittelte Endozytose internalisiert wurden. Lai und Mitarbeiter [16] fanden heraus, dass kleine polymere Nanopartikel mit einer Größe von weniger als 25 nm einen neuen Mechanismus nutzen, um die perinukleäre Region der Zellen über nicht-abbauende Vesikel außerhalb des endo-/lysosomalen Weges zu erreichen. Dieser Stoffwechselweg wird nicht durch Clathrin und nicht durch Caveolae vermittelt und ist cholesterinunabhängig.

Es wurde gezeigt, dass die Aufnahme von Gold(Au)-NPs unterschiedlicher Größe (2 bis 100 nm), die mit Herceptin-AuNPs konjugiert sind, durch SK-BR-3-Zellen größenabhängig ist. Die höchste zelluläre Internalisierung wurde für NPs im Größenbereich von 25–50 nm beobachtet [63]. Bei diesem Eintrittsweg erwies sich die Größe der NP als bestimmend für die Bindung und Aktivierung von Membranrezeptoren und die letztendliche Expression der Proteine. Der Einfluss der Variation der Größe und Form kolloidaler AuNPs auf die intrazelluläre Aufnahme wurde untersucht [112]. AuNPs von 14-, 50- und 74-nm-Größe mit Kugel- und Stäbchenform wurden mit HeLa-Zellen inkubiert. Es wurde festgestellt, dass die NP-Aufnahme stark von ihrer Größe und Form abhängt und die Partikel mit einer Größe von 50 nm die höchste Aufnahmerate zeigten. Darüber hinaus war die Aufnahme von kugelförmigen AuNPs um 500 % höher als die von stäbchenförmigen NPs ähnlicher Größe. Shanet al. [113] untersuchten die größenabhängige Kraft der Endozytose von AuNPs mit Durchmessern von 4, 12 und 17 nm durch HeLa-Zellen. Die Ergebnisse zeigten, dass sowohl die Werte der Aufnahme- als auch der Entbindungskraft mit der Größe der AuNPs zunehmen. Die Aufnahme von SiO₂ NPs unterschiedlicher Größe (50, 100 und 300 nm) von A549-Zellen (Lungenepithelzellen) wurden mittels Kombination von Durchflusszytometrie, Fluoreszenz und Elektronenmikroskopie untersucht. Diese Forscher hatten gezeigt, dass die Aufnahme von SiO₂ NPs hat an Größe abgenommen [114].

Effekt der Form

Neben der Größe spielt auch die Form der NP eine entscheidende Rolle bei der Aufnahme und beim Transport von NP. Chithraniet al. [112] untersuchten den Einfluss der Form kolloidaler AuNPs auf die Aufnahme von HeLa-Zellen. Das Ergebnis zeigte, dass kugelförmige AuNPs eine fünfmal höhere Aufnahme als stäbchenförmige AuNPs aufwiesen. In einer anderen Arbeit untersuchten dieselben Forscher das Aufnahmeniveau von kugel- und stäbchenförmigen Transferrin-beschichteten AuNP in drei verschiedenen Zelllinien; STO-Zellen, HeLa-Zellen und SNB19-Zellen [94]. Sie beobachteten, dass kugelförmige AuNPs von allen Zelllinien schneller internalisiert wurden als stäbchenförmige AuNPs.

Um die Wirkung der Form in vivo zu bestimmen, verwendeten Geng und Mitarbeiter [115] Filomicellen, um die Unterschiede beim Transport und beim Handel von flexiblen Filamenten mit Kugeln bei Nagetieren zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass Filomizellen etwa zehnmal mehr im Umlauf blieben als kugelförmige Gegenstücke. Darüber hinaus werden die kugelförmigen Filomizellen von den Zellen leichter internalisiert als längere Filamente. Gratton und Mitarbeiter [106] zeigten den Einfluss der Form monodisperser Hydrogelpartikel auf die Aufnahme in HeLa-Zellen. Sie fanden heraus, dass stabförmige NPs die höchsten Internalisierungsraten im Vergleich zu Kugeln, Zylindern und Würfeln aufweisen. In einer anderen Studie wurde der Einfluss der Form von NPs auf die Zellaufnahme untersucht, indem scheibenförmige, kugelförmige und stäbchenförmige Polystyrol (PS) NPs auf Caco-2-Zellen verwendet wurden. Das Ergebnis zeigte, dass die stäbchen- und scheibenförmigen NPs zweifach stärker internalisiert wurden als kugelförmige NPs. Sie kamen zu dem Schluss, dass die NP-vermittelte Wirkstoffabgabe durch Berücksichtigung der Form der NPs vorangetrieben werden kann [116].

Xu und Mitarbeiter [117] untersuchten den Einfluss der Form auf die zelluläre Aufnahme, indem sie geschichtete Doppelhydroxid(LDH)-NPs mit Fluoresceinisothiocyanat (FITC) in unterschiedlicher Morphologie wie hexagonalen Blättern (50–150 nm seitlich breit und 10–20 nm .) herstellten dick) und Stäbchen (30–60 nm breit und 100–200 nm lang). Alle Morphologien wurden über Clathrin-vermittelte Endozytose aufgenommen. LDH-FITC-Nanokügelchen wurden im Zytoplasma zurückgehalten, während LDH-FITC-Nanostäbchen durch Mikrotubuli zum Zellkern bewegt wurden. Dasguptaet al. wandten [118] eine Simulation an, um die Rolle der Form von NPs bei der zellulären Aufnahme zu untersuchen. Sie haben die Membranumhüllung der Nanostäbchen- und Nanowürfel-förmigen NPs simuliert. Für stäbchenförmige Partikel fanden sie stabile endozytotische Zustände mit kleinem und hohem Umhüllungsanteil; Eine Zunahme des Seitenverhältnisses war für eine vollständige Umhüllung unerwünscht. Nangia und Sureshkumar [119] haben den Einfluss der Form auf die Translokationsrate von NPs durch Anwendung moderner Molekulardynamik-Simulationstechniken computerisiert. Eine wichtige Enthüllung der Studie ist die signifikante Variation der Translokationsrate von kegel-, würfel-, stäbchen-, reis-, pyramiden- und kugelförmigen NPs.

Auswirkung der Oberflächenladung

Ein weiterer kritischer Faktor, der die zelluläre Aufnahme von Nanopartikeln beeinflusst, ist die Oberflächenladung. In den letzten zehn Jahren wurde die Nanooberflächenmodifikation verwendet, um die Oberflächenladung von NPs entweder kationisch oder anionisch zu gestalten [92]. Die negativ geladene CM verbessert die Aufnahme von positiv geladenen NPs. Insbesondere positiv geladene NPs haben eine höhere Internalisierung als neutrale und negativ geladene NPs [47, 120]. Die Aufnahme von positiv geladenen NPs kann jedoch die Integrität von CM stören und zu einer erhöhten Toxizität führen [121, 122]. Im Allgemeinen induzieren positiv geladene NPs den Zelltod [123, 124]. Interessanterweise verringern neutral geladene NPs die zelluläre Aufnahme im Vergleich zu negativ geladenen NPs [110, 125, 126, 127]. Darüber hinaus führt die Internalisierung negativ geladener NPs zur Gelierung von Membranen, während positiv geladene NPs Fluidität in der CM bewirken [128, 129]. Neben der Aufnahmegeschwindigkeit von NP beeinflussen auch Oberflächenladungen die Aufnahmemechanismen. Genauer gesagt werden positiv geladene NPs hauptsächlich über Makropinozytose von der Zelle internalisiert, während die Clathrin-/Caveolen-unabhängige Endozytose der Mechanismus für die Aufnahme von negativ geladenen NP ist [130]. Die zellulären Aufnahmewege variieren, wenn die Oberfläche der AuNPs mit organischen Molekülen beschichtet ist. Beispielsweise werden einfache, positiv geladene AuNPs über Makropinocytose und Clathrin- und Caveolin-vermittelte Endocytose internalisiert, während negativ geladene Polyethylenglykol (PEG)-beschichtete AuNPs hauptsächlich über Caveolin- und/oder Clathrin-vermittelte Endocytose internalisiert werden [131].

Li und Gu [132] untersuchten die Wechselwirkung geladener und neutraler NPs mit CM mittels Molekulardynamiksimulationen. Es wurde festgestellt, dass geladene NPs im Vergleich zu neutralen NPs eine bessere Haftung an den CMs aufweisen. Darüber hinaus können NPs durch Erhöhung der Ladungsdichte vollständig von der Membran umhüllt werden. Eine andere Forschungsgruppe setzte Molekulardynamiksimulation ein, um die Wechselwirkungen von kationischen und anionischen AuNPs mit CMs zu untersuchen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Unterbrechung der CM aufgrund des Eindringens von AuNPs zunimmt, wenn die Ladungsdichte der AuNPs erhöht wird [133]. Diese Ergebnisse legen eine Möglichkeit nahe, die Wechselwirkungen zwischen Zellen und AuNP zu kontrollieren, indem die Oberflächenladungsdichten von AuNPs manipuliert werden, um ihre Aufnahme zu optimieren und gleichzeitig die Zytotoxizität zu minimieren, die wesentliche Eigenschaften für alle NPs sind, die für biomedizinische Anwendungen in Betracht gezogen werden.

Li und Malmstadt [134] untersuchten die Wechselwirkung von positiv und negativ geladenen PS-NPs mit biologischen Membranen. Das Ergebnis zeigte, dass die starke elektrostatische Wechselwirkung zwischen kationischen NPs und den Phosphatgruppen der Membran zu einer erhöhten NP-Membran-Bindung und Membranoberflächenspannung führte, was wiederum zur Bildung von Poren führte. Die Aufnahmerate positiv geladener AuNPs in SK-BR-3-Zellen wurde fünfmal höher berichtet als bei negativ geladenen AuNPs. Diese Forscher haben auch untersucht, dass positiv geladene AuNPs durch Nicht-Endocytose-Pfade internalisiert wurden, während negativ geladene AuNPs über Endocytose-Pfade von Zellen aufgenommen wurden [135].

Haucket al. [107] untersuchten die Aufnahme von Goldnanostäbchen (AuNRs) mit einem Größenbereich von 18 bis 40 nm und Oberflächenladungen im Bereich von + 37 mV bis − 69 mV durch HeLa-Zellen. Die Ergebnisse zeigten, dass für alle AuNR-Konzentrationen die höchste Internalisierung in HeLa-Zellen bei Oberflächenladungen von + 37 mV und die niedrigste Internalisierung bei − 69 mV auftrat. Huhn und Mitarbeiter [136] untersuchten ladungsabhängige Interaktionen kolloidaler AuNPs mit verschiedenen Zelllinien wie 3T3-Fibroblastenzellen, murinen C17.2-neuralen Vorläuferzellen und menschlichen Nabelvenen-Endothelzellen. Das Ergebnis zeigte, dass kationische AuNPs von allen Zelllinien eine höhere Aufnahme hatten als das anionische Gegenstück. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Zellaufnahme stark vom Vorzeichen der Ladung abhängt. Darüber hinaus zeigte die Zytotoxizitätsstudie, dass positiv geladene NPs infolge einer höheren Aufnahme eine höhere Toxizität aufweisen als negativ geladene.

Auswirkung der Hydrophobie

Die Hydrophobie von NP ist ein bestimmender Faktor in ihrer Wechselwirkung mit der CM [92, 137]. Mehrere Studien zeigten den Einfluss der Hydrophobie von NPs auf ihre Wechselwirkungen mit der CM. Liet al. [138] untersuchten den Einfluss der Hydrophobie/Hydrophilie von NPs auf die Wechselwirkung mit CM mithilfe von Molekulardynamiksimulationen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass hydrophobe NPs einen Einschluss in die CM erzeugen, während hydrophile NPs an der CM adsorbieren. In einer anderen Forschung wurde ein Simulationsansatz angewendet, um die Wirkung der Hydrophobie auf die NP-Zell-Interaktion zu untersuchen. Es wurde beobachtet, dass hydrophile NPs umhüllt wurden, während hydrophobe NPs durch direktes Eindringen in die Membran in den inneren hydrophoben Kern der Doppelschichten eingebettet wurden [139].

Die Wechselwirkungen von QDNPs mit gemischten Lipid/Polymer-Membranen wurden durch Veränderung der hydrophoben Oberfläche der NPs untersucht. Es wurde beobachtet, dass sich hydrophobe NPs innerhalb der Polymerdomänen in einer gemischten Lipid/Polymer-Monoschicht der Membranen befinden, während hydrophile QDNPs an den Monoschichten adsorbiert und sich überall verteilt, was auf eine stärkere Wirkung auf die Molekülpackung an der Luft/Wasser-Grenzfläche hinweist [140] . Der Einbau funktionalisierter AuNPs mit gemischten hydrophoben und hydrophilen Liganden in Liposomenwände wurde untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass hydrophobe Liganden mit dem hydrophoben Kern der Doppelschicht interagieren, während hydrophile Liganden mit der wässrigen Lösung interagieren [141].

Auswirkung der Oberflächenmodifikation

Bei biomedizinischen Anwendungen von NPs ist die chemische Oberflächenmodifizierung von NP ein kritischer Schritt, der verwendet wird, um die Toxizität zu verringern, die Stabilität zu erhöhen und die zelluläre Internalisierung von NPs zu kontrollieren und zu modulieren, daher ihr biologisches Schicksal [142]. Die Oberflächenfunktionalisierung von NPs besteht hauptsächlich aus PEG, der negativen Carboxylgruppe (–COOH), neutralen funktionellen Gruppen wie Hydroxylgruppen (–OH) und der positiven Amingruppe (–NH2). Die Zunahme der Menge an (–NH2) führt zu einer erhöhten positiven Oberflächenladung und erhöht somit die Aufnahme von NPs in die Zellen [143,144,145,146]. In ähnlicher Weise erhöhen –COOH-funktionelle Gruppen die negative Ladung von NPs und erhöhen dementsprechend ihre Aufnahme [144].

Taoet al. [147] haben Polydopamin-funktionalisiertes NP-Aptamer-Biokonjugat für das Tumor-Targeting entwickelt. Sie haben berichtet, dass die funktionalisierten NPs im Vergleich zu nicht-funktionalisierten NPs eine bessere Targeting-Wirksamkeit aufweisen, was auf eine höhere zelluläre Aufnahmerate für funktionalisierte NPs hindeutet, was sich in einer verbesserten therapeutischen Wirkung niederschlägt. In einer anderen Studie zeigten Folsäure-funktionalisierte NPs eine höhere Wirksamkeit beim Targeting von Gebärmutterhalskrebszellen als nicht-funktionalisierte NPs [148]. Der Einfluss der Oberflächenbeschichtung auf die Toxizität und die zelluläre Aufnahme von AuNPs wurde von Qiu und Mitarbeitern untersucht [90]. Sie haben gezeigt, dass die Oberflächenbeschichtung ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der zellulären Aufnahmerate ist, da mit Poly(diallyldimethylammoniumchlorid) beschichtete AuNRs eine höhere Effizienz bei der Internalisierung durch die Zellen zeigten.

Die Unterschiede in der zellulären Aufnahme von reinem Polystyrol (PS-NPs) und aminofunktionalisierten Polystyrol-NPs wurden von Jiang und Mitarbeitern untersucht [149]. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass aminofunktionalisierte Polystyrol-NPs eine höhere Aufnahmerate aufweisen als PS-NPs, wobei erstere hauptsächlich über den Clathrin-vermittelten Weg und letztere über Clathrin-unabhängige Endozytose internalisiert wurden. Dieser bemerkenswerte Unterschied unterstreicht die Schlüsselrolle der chemischen Oberflächenmodifikation bei zellulären Wechselwirkungen mit Nanopartikeln. Oberflächenmodifiziertes Fulleren, C₆₀ ( C( COOH) ₂ ) ₂ NPs wurden von den Zellen überwiegend über Endozytose zeit-, temperatur- und energieabhängig internalisiert. Es wurde festgestellt, dass die Clathrin-vermittelte Endozytose der bevorzugte Weg für die Internalisierung von C₆₀ . ist ( C( COOH) ₂ ) ₂ NPs [150].

Auswirkung der Elastizität

Die Elastizität von NPs spielt eine intrinsische Rolle bei der Beeinflussung ihrer Internalisierung durch Zellen. Die Elastizität von NPs kann durch ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Veränderungen erklärt werden, wenn Kräfte auf sie ausgeübt werden. Steifigkeit, Härte und Starrheit sind einige der Begriffe, die synonym zur Beschreibung der Elastizität von NPs sind. Ein Messindex, der verwendet wird, um die Elastizität von NPs zu messen, ist der Youngsche Modul und die Maßeinheit ist Pascal (Pa). Basierend auf dieser Messung bedeutet ein höherer Young-Modul-Wert eine höhere NP-Elastizität und umgekehrt. Beispiele für analytische Geräte oder Instrumente, die verwendet werden, um diesen Wert an NPs zu messen, sind Rasterkraftmikroskop, Rheometer und Nanoindenter. NPs mit höheren Elastizitätswerten werden harte NPs genannt und Beispiele hierfür sind Gold-NPs, Quantenpunkte und magnetische NPs. NPs mit niedrigeren Elastizitätswerten werden weiche NPs genannt und Beispiele hierfür sind Hydrogele, Liposomen und biologisch abbaubare Polymere.

Zahlreiche Studien, die sich auf diesen Parameter von NP in Bezug auf die zelluläre Aufnahme konzentriert haben, haben über die Präferenz von Zellen berichtet, steifere NPs im Vergleich zu weicheren NPs effizienter zu internalisieren [151, 152]. Offensichtlich wird diese Beobachtung auf einen geringeren Gesamtenergieaufwand der Membranen beim Umhüllen steiferer NPs im Vergleich zu weicheren NPs zurückgeführt, obwohl die zum Umhüllen der NPs erforderliche Deformationsenergie während des Internalisierungsprozesses variiert. Darüber hinaus stimmt die rechnerische Modellierung der Membranumhüllung von NPs mit unterschiedlicher Elastizität, die mit Hilfe einer grobkörnigen Molekulardynamik (CGMD)-Simulation durchgeführt wurde, mit der experimentellen Beobachtung von Verformungsenergieänderungen überein, die bei der Internalisierung steifer und weicher NPs beteiligt sind [153]. However, there are also other studies that have reported on softer NPs being internalized more efficiently than stiffer NPs [154, 155] and intermediate elastic NPs internalized more efficiently compared to either stiff or soft NPs [156]. Hence, tuning the elasticity of NPs for better cellular internalization could be a valuable tool in biomedical applications such as drug delivery. A potential application was demonstrated by Guo and coworkers, whereby accumulation of nanolipogels in tumour cells were enhanced primarily by controlling this parameter of NP [157].

Intracellular Trafficking of NPs

In the previous sections, different possible uptake pathways of NPs and the parameters that affect the efficacy of uptake has been discussed. Following uptake, the next crucial matter is the intracellular trafficking of NPs which determines its final destination within cellular compartments, its cytotoxicity and its therapeutic efficacy [158, 159]. After NPs are internalized by the cells, they will first encounter membrane-bound intracellular vesicles called early endosomes. Endosomes formed at the plasma membrane are categorized into three types; early endosomes, late endosomes and recycling endosomes [106, 160,161,162,163].

Early endosome ferries the cargo to the desired cellular destination. Part of the cargo is recycled to the plasma membrane via recycling endosomes. Early endosomes transform into late endosomes via maturation and differentiation process. The late endosomes will then integrate with lysosomes to form endolysosomal vesicles and hydrolytic enzymes contained within these vesicles degrade the trapped NPs [18, 164,165,166]. However, some NPs are able to escape this pathway and are released into the cytoplasm therefore bypassing the lysosomal degradation process [167,168,169]. Another intracellular degradation pathway which plays important role in the intracellular fate of NPs is an intracellular process called autophagy [170,171,172]. In this process, cytoplasmic contents will be surrounded by autophagosome and delivered to the lysosome to be broken down and recycled [173]. In addition, aggregated proteins and dysfunctional organelles are degraded by autophagy to maintain cellular homeostasis. It is necessary to consider this pathway since recent studies demonstrated that several NPs are capable of inducing autophagy [174,175,176,177,178].

The intracellular trafficking of Tat peptide-conjugated quantum dots (Tat-QDs) in live cells was studied by Ruan and co-workers [179]. Dynamic confocal imaging showed that Tat-QDs interacted with negatively charged CMs leading to its internalization by macropinocytosis. The QD containing vesicles were observed to be actively transported by molecular motors towards the perinuclear region known as the microtubule-organizing center (MTOC). Tat-QDs bind to cellular membrane structures such as filopodia and vesicle shedding results in releasing QD-containing vesicles from the tips of filopodia.

The uptake and intracellular fate of fluorescent carboxylated polystyrene particles (20 nm and 200 nm in diameter) were evaluated by applying it on hepatocyte [180]. It was found that the particles were internalized by hepatocytes in size, time and serum-dependent manner. The fate of the particles was studied and they were not observed in early endosomes or lysosomes, but only in the mitochondria of the hepatocyte. Particles accumulated inside bile canaliculi show that NPs can be eliminated within bile. A study on the uptake and intracellular fate of silver NPs into human mesenchymal stem cells demonstrated that they agglomerate in the perinuclear region [181]. It was observed by using fluorescent probes that particles are contained within endo-lysosomal structures but not in the cell nucleus, endoplasmic reticulum or Golgi complex. Confocal imaging of FITC conjugated titania nanotubes in mouse neural stem cells revealed that they have crossed the karyotheca entering the cell nucleus [182]. Single-walled carbon nanotubes were observed to enter the cytoplasm and localize in the cell nucleus leading to cell mortality [183]. Translocation of AuNRs towards the nucleus has also been reported [184].

Schlussfolgerungen

The application of NPs in the modern world is growing at an exponential rate as the scientific enterprise is looking for novel ways to address current problems. NPs can be found as active ingredients in many formulations intended for human consumption, from cosmetics to processed foods. As its application increases in consumer products, so does human exposure to NPs. Hence, more research should be carried out to understand its potential hazards to humans and other living beings. In this review, we have looked at the current knowledge on the effects of NPs at a cellular level. Some of the topics discussed include cellular pathways of NPs and the influences of physiochemical properties of NPs on the uptake rate and uptake mechanism.

Abkürzungen

ATP:

Adenosine triphosphate

CAGR:

Compound annual growth rate

CM:

Cell membrane

FITC:

Fluorescein isothiocyanate

GPI:

Glycosylphosphatidylinositol

LDH:

Layered double hydroxide

MTOC:

Microtubule-organizing center

NP:

Nanoparticle

PEG:

Polyethylene glycol