Influence of Colonies’ Morphological Cues on Cellular Uptake Capacity of Nanoparticles

一、文献基础信息

· 标题：Influence of Colonies’ Morphological Cues on Cellular Uptake Capacity of Nanoparticles

· 期刊：Frontiers in Bioengineering and Biotechnology

· DOI：10.3389/fbioe.2022.922159

· 原文链接：https://www.frontiersin.org/journals/bioengineering-and-biotechnology/articles/10.3389/fbioe.2022.922159/full

· 发表时间：2022-05-31

· 作者：Siyuan Huang，Qi Su，Xiaoqiang Hou，Kuankuan Han，Shufang Ma，Bingshe Xu，Yingjun Yang（陕西科技大学）

· 通讯作者：Bingshe Xu、Yingjun Yang

 

二、文献核心主要内容

纳米颗粒

图 1：PDMS 微孔模板制备与模式化黑色素瘤细胞集落构建示意图

研究背景

纳米药物的细胞摄取效率是决定治疗效果的关键，过往研究大多聚焦纳米颗粒本身理化性质（粒径、电荷、表面修饰）对摄取的影响。而细胞原位微环境、多细胞集落的形态学信号对纳米颗粒摄取的作用很少被研究。肿瘤属于典型多细胞集落，细胞密度、集落空间位置（边缘 / 中心）会改变细胞形态、细胞骨架，进而影响纳米颗粒胞吞。本文利用 PDMS 微孔模板构建可控大小、细胞密度的黑色素瘤 B16 细胞集落，探究集落形态线索对纳米颗粒细胞摄取能力的双重调控机制。

实验体系

1. 使用打孔制备 PDMS 印章模板，生成直径0.8 mm、1.2 mm 圆形微孔，限制细胞生长区域，得到模式化多细胞集落；

2. 设置低、中、高三种细胞接种密度，获得不同细胞密度的集落；

3. 使用西安瑞禧生物氨基修饰荧光聚苯乙烯纳米颗粒（amino-modified fluorescent PS NPs，100 nm）与模式化集落共孵育，荧光显微镜定量分析纳米颗粒阳性细胞占比、胞内荧光强度，评价细胞摄取能力；

4. 区分集落外周区域、中心区域，分别统计两处细胞的摄取差异；

5. 鬼笔环肽染色观察肌动蛋白细胞骨架；使用药物 Blebbistatin 抑制肌球蛋白、Dynasore 抑制发动蛋白，解析网格蛋白介导胞吞（CME）通路机制。

核心实验结果

1. 集落大小效应：同等细胞密度条件下，更大面积（1.2 mm）集落整体摄入纳米颗粒总量更高，归因于更大接触面积带来更高纳米颗粒总暴露剂量。

2. 细胞密度的双向矛盾效应 

· 负面效应：细胞密度越高，细胞铺展面积变小，细胞膜与纳米颗粒接触概率下降，纳米颗粒阳性细胞百分比降低；

· 正面效应：高密度下细胞呈圆形，皮层肌动蛋白富集，促进网格蛋白介导胞吞（CME），提升单个细胞的纳米颗粒内吞量；

· 综合结果：中等细胞密度的细胞具备很高的纳米颗粒摄取能力（阳性细胞占比与单胞内吞强度综合很优）。

3. 集落空间位置差异：同一集落内，外周区域细胞的纳米颗粒摄取显著高于中心区域细胞。集落边缘细胞密度更高，皮层肌动蛋白更发达，胞吞活性更强。

4. 机制验证 

· Blebbistatin 破坏皮层肌动蛋白，细胞纳米颗粒摄取能力下降；

· Dynasore 抑制发动蛋白（网格蛋白胞吞后期囊泡分离关键蛋白），显著抑制纳米颗粒摄取，且消除不同细胞密度带来的摄取差异； → 证明：皮层肌动蛋白发动蛋白依赖的网格蛋白介导胞吞，是高密度细胞摄取提升的核心分子机制。

 

研究结论

多细胞集落形态线索（集落尺寸、细胞密度、空间位置）双向调控纳米颗粒细胞摄取：高密度一方面降低颗粒细胞膜接触概率，另一方面通过皮层肌动蛋白增强网格蛋白介导胞吞；中等密度细胞、集落外周细胞拥有很优纳米颗粒摄取效率。该研究提示：肿瘤组织内部不同位置细胞对纳米药物的摄取存在固有异质性，对纳米药物体外筛选、肿瘤给药策略设计提供参考。

 

研究意义

1. 跳出 “只看纳米材料理化性质” 思维，揭示细胞集落微环境形态信号是纳米颗粒细胞摄取的重要调控因素；

2. 解释肿瘤组织中纳米药物摄取的空间异质性，为体外细胞模型更好模拟肿瘤体内纳米药物递送提供新思路；

3. 证实皮层肌动蛋白网格蛋白胞吞通路在多细胞体系纳米摄取中的关键作用。

 

三、实验关键材料：西安瑞禧生物 aminomodified fluorescent PS NPs（氨基修饰荧光聚苯乙烯纳米颗粒）

表格

项目

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产品全称

aminomodified fluorescent polystyrene nanoparticles，氨基修饰荧光聚苯乙烯纳米颗粒

厂家

西安瑞禧生物科技有限公司

本文使用粒径

100 nm

核心特征

聚苯乙烯 PS 内核，内部掺杂荧光染料；表面氨基（-NH₂）修饰，带正电，适合细胞胞吞研究；单分散、水相稳定，荧光信号稳定，适合荧光显微成像定量分析。

在本文中的功能

1. 荧光示踪工具：荧光信号直接可视化观察 B16 黑色素瘤细胞对纳米颗粒的内吞；台盼蓝淬灭胞外颗粒荧光后，可专一统计胞内纳米颗粒；

2. 定量评价摄取：通过 ImageJ 计算校正积分灰度值，统计NP-阳性细胞百分比、单胞内荧光强度，量化不同集落条件下细胞摄取能力；

3. 模型颗粒：氨基正电 PS-NPs 主要通过网格蛋白介导胞吞进入细胞，作为模式纳米颗粒用于解析多细胞集落形态调控胞吞的生物学机制。

拓展应用

氨基修饰荧光 PS 纳米颗粒广泛用于细胞胞吞 / 胞吞通路验证、纳米颗粒细胞相互作用、流式与荧光显微示踪、药物递送体外模型评价；表面氨基还可共价偶联多肽、蛋白、小分子配体做靶向修饰。