Новое исследование материаловедов из Массачусетского технологического института показывает, что эти наночастицы проникают в клетки, используя путь, обычно используемый при слиянии везикул и везикул, важном процессе, который позволяет передавать сигнал между нейронами. В выпуске Nature Communications от 21 июля исследователи подробно описывают механизм, с помощью которого эти наночастицы могут сливаться с мембраной.
Полученные данные предлагают возможные стратегии создания наночастиц, сделанных из золота или других материалов, которые могли бы еще легче проникать в клетки.
«Мы определили тип механизма, который может быть более распространенным, чем известно в настоящее время», — говорит Рид Ван Лен, аспирант Массачусетского технологического института в области материаловедения и инженерии и один из ведущих авторов статьи. «Идентифицировав этот путь впервые, он также предлагает не только то, как сконструировать этот конкретный класс наночастиц, но и то, что этот путь может быть активен и в других системах."
Другой ведущий автор статьи — Мария Риччи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) в Швейцарии. В исследовательскую группу во главе с доцентом кафедры материаловедения и инженерии Альфредо Александром-Кацем и Франческо Стеллаччи из EPFL также входили ученые из Института неврологии Карлоса Беста в Италии и Даремского университета в Великобритании.
Большинство наночастиц проникают в клетки посредством эндоцитоза, процесса, при котором частицы улавливаются внутриклеточными компартментами, что может повредить клеточную мембрану и вызвать утечку содержимого клетки.
Однако в 2008 году Стеллаччи, который тогда работал в Массачусетском технологическом институте, и Даррелл Ирвин, профессор материаловедения, инженерии и биологической инженерии, обнаружили, что особый класс наночастиц золота, покрытых смесью молекул, может проникать в клетки без каких-либо нарушений.
«Почему это происходило или как это происходило, было полной загадкой», — говорит Ван Лен.
В прошлом году Александер-Кац, Ван Лен, Стеллаччи и другие обнаружили, что частицы каким-то образом сливаются с клеточными мембранами и всасываются в клетки.
В своем новом исследовании они создали подробные атомистические симуляции, чтобы смоделировать, как это происходит, и провели эксперименты, подтвердившие предсказания модели.
Скрытый вход
Наночастицы золота, используемые для доставки лекарств, обычно покрыты тонким слоем молекул, которые помогают регулировать их химические свойства.
Некоторые из этих молекул или лигандов отрицательно заряжены и гидрофильны, а остальные гидрофобны. Исследователи обнаружили, что способность частиц проникать в клетки зависит от взаимодействия между гидрофобными лигандами и липидами, обнаруженными в клеточной мембране.
Клеточные мембраны состоят из двойного слоя молекул фосфолипидов, которые имеют гидрофобные липидные хвосты и гидрофильные головки. Липидные хвосты обращены друг к другу, а гидрофильные головки обращены наружу.
В своем компьютерном моделировании исследователи сначала создали так называемый «идеальный бислой», в котором все липидные хвосты остаются внутри мембраны. В этих условиях исследователи обнаружили, что наночастицы золота не могут сливаться с клеточной мембраной.
Однако, если в модельной мембране есть «дефект» — отверстие, через которое могут выскользнуть липидные хвосты, — наночастицы начинают проникать в мембрану.
Когда возникают эти липидные выступы, липиды и частицы цепляются друг за друга, потому что они оба гидрофобны, и частицы захватываются мембраной, не повреждая ее.
В реальных клеточных мембранах эти выступы возникают случайным образом, особенно рядом с участками, в которых белки встроены в мембрану.
Они также чаще встречаются на изогнутых участках мембраны, потому что гидрофильным головкам труднее полностью покрыть изогнутую область, чем плоскую, оставляя зазоры для выступающих липидных хвостов.
"Это проблема упаковки", — говорит Александр-Кац. "Есть открытое пространство, откуда могут выходить хвосты, и будет контакт с водой.
Это просто в 100 раз увеличивает вероятность того, что один из этих выступов выступит в сильно изогнутых областях мембраны."
Подражая природе
Это явление имитирует естественный процесс в клетках — слияние пузырьков с клеточной мембраной. Везикулы — это небольшие сферы из мембраноподобного материала, несущие такие грузы, как нейротрансмиттеры или гормоны.
Сходство между абсорбцией везикул и проникновением наночастиц предполагает, что клетки, в которых естественным образом происходит слияние везикул, могут быть хорошими мишенями для доставки лекарств наночастицами золота. Исследователи планируют дополнительно проанализировать, как состав мембран и встроенных в них белков влияет на процесс абсорбции в разных типах клеток. «Мы хотим по-настоящему понять все ограничения и определить, как лучше всего разработать наночастицы для нацеливания на определенные типы клеток или области клетки», — говорит Ван Лен.
«Можно было бы использовать результаты этой статьи, чтобы подумать о том, как использовать эти открытия в улучшенных средствах доставки наночастиц — например, возможно, можно было бы разработать новые поверхностные лиганды для наночастиц, которые имели бы улучшенное сродство как к поверхностным группам, так и к липидным хвостам», — говорит Кэтрин Мерфи, профессор химии Иллинойского университета в Урбана-Шампейн, не участвовавшая в исследовании.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Швейцарским национальным фондом.
Видео: http: // www.YouTube.com / watch?v = jxRTYOdR654