细胞感知外界机械信号的能力对于它们适应周围的微环境至关重要。纳米颗粒的机械特性如何影响细胞-纳米颗粒（NP）的相互作用尚不明确。研究人员已经通过设计具有不同力学性质的NP，证明了NP弹性在调节其与细胞相互作用方面的重要性。目前大多数工作重点研究了NP弹性影响非特异性NP-细胞相互作用，而对受体-介导细胞间及巨噬细胞的相互作用机制仍不清楚。作者利用了不同弹性的纳米粒子文库及不同相互作用的细胞来研究弹性对NP-细胞相互作用的影响，有助于未来设计更高效的药物递送载体。
作者使用双功能肽（SurSi，Ac-MKQLAHSVS-RLEHARKKRKKRKKRKKGGGY-CONH2）合成了一个杨氏模量从kPa到1.18GPa，尺寸为nm的SNC文库（图1A）。作者通过利用不同的前驱体来制备弹性不同的SNC，其中三乙氧基乙烯基硅烷（TEVS）可以形成非常柔软的SNC，而四乙氧基硅烷（TEOS）可以形成非常坚硬的SNC，因此通过改变TEVS和TEOS的比例（0、5、10、20、40和mol％TEOS）来调节SNC的弹性。他们通过非特异性或受体介导的途径与巨噬细胞和癌细胞相互作用，包括细胞结合、摄取和胞吞。作者利用透射电镜（TEM）、原子力显微镜、扫描电镜证明了不同SNC的可变形性和弹性（图1A-D）。根据赫兹接触模型计算得出SNC的杨氏模量与TEOS的摩尔百分比呈正相关（图1E）。图1SNCs的合成与表征
为了验证SNC的弹性对NP-细胞相互作用的影响，作者研究了三种类型的NP-细胞相互作用，包括巨噬细胞（RAW.7），非特异性相互作用癌细胞和受体介导的癌细胞相互作用（图2A）。作者利用叶酸作为识别单元，mPEG作为非特异性识别单元。图2B显示，叶酸的靶向识别对巨噬细胞的摄取没有显著影响，而对于有靶向识别作用的SKOV3细胞来说，硬度大的SNC比柔软的SNC更容易被细胞吞噬。接着作者将细胞与6种具有不同杨氏模量的FA-PEGSNC在4℃和37℃下共孵育，研究温度和杨氏模量对相互作用的影响（图2C）。对于巨噬细胞来说，在37℃下，以内吞作为主体的作用机制中，纳米粒子的内吞作用随着杨氏模量从0.56至MPa逐渐增强。但从至MPa，敏感性降低；在4℃下，以识别作为主体的识别机制中，杨氏模量对NP-细胞的相互作用影响较小（图2D）。对于具有靶向识别效应的SKOV3细胞来说，不管是内吞还是识别为主导作用的条件下，其相互作用随其杨氏模量的增加而增加，呈正相关（图2E）。作者同时考察了摄取动力学，结果表明，在24小时相互作用中，弹性的影响明显降低。
图2SNC弹性对细胞相互作用的影响A）识别示意图；B）两种不同细胞对两个杨氏模量差距较大的NP的摄取量；C）不同温度的作用机制；D、E）杨氏模量对NP-细胞相互作用的影响；F）巨噬细胞的时间动力学研究；G）SKOV3的时间动力学研究。
PEG修饰的最柔软的SNC在SKOV3细胞中显示出与刚硬的SNC相似的非特异性结合和摄取，并且它们的内吞作用并不依赖网格蛋白，小窝蛋白或F-肌动蛋白的聚合作用（图3A）。此外，它们在结合过程中并未在细胞膜上变平，而在内化过程中和之后仍保持球形（图3B），这证实了在非特异性NP-细胞相互作用过程中，最柔软的SNC的变形最小。上述发现证明了SNC形态变化在调节细胞摄取中的重要作用（图3C），在诸如网格蛋白介导的内吞作用和吞噬作用的活性细胞相互作用中，细胞膜和相关蛋白形成复合物理层以与NP相互作用，在这些情况下，脂质膜、网格蛋白和交联的肌动蛋白网络也可能在胞吞作用中起作用。
图3SNCs的内吞路径。A）不同内吞抑制剂作用下的柔性颗粒内吞比例；B）柔性颗粒内吞过程的TEM成像；C）三种形式的细胞内容作用示意图。
为了进一步阐明NP弹性对细胞摄取动力学的影响，作者使用活细胞成像和单粒子跟踪观察了最软的SNC（0.56MPa）和最坚硬的SNC（MPa）的细胞内化。将溶酶体标记的SKOV3细胞与FA-PEG修饰的SNC在4℃共孵育，以使SNC粘附在细胞上，然后将温度升至37℃（时间点0）以启动SNC内化。最柔软的SNC直到40分钟才显示出吸收（图4A），而许多最坚硬的SNC在20分钟时已被内化（图4B），在60分钟时，最坚硬的SNC的SKOV3摄取显着高于最柔软的SNC，这与流式细胞仪数据一致。对于最软的（图4C）或最硬的（图4D）SNC，非内部化SNC的运动被限制在有限的区域内，表明它们已与细胞膜结合。SNC表现出两个阶段运动模式（图4E、F）：阶段I具有低速受限运动，阶段II具有高速运输。作者对SNC轨迹进行均方位移（MSD）分析，以确定不同运动粒子的运动类型。图4G和H分别显示了软SNC和硬SNC的MSD时间曲线。SNC内部化所需的时间取决于速度和MSD结果，作者跟踪了15个最软的SNC，只有其中1个在14分钟左右进入细胞，其余所有SNC在15分钟结束时仍保留在细胞膜上（图4I），相比之下，16个刚性SNC中有6个在15分钟内进入了细胞，其中三个在前5分钟进入了细胞。尽管样本量相对较小，但明显具有较高杨氏模量的SNC被更快地内化，这与刚性SNC的较高细胞摄取率相一致。
图4A）最柔软SNCs的内化成像；B）最坚硬SNCs的内化成像；C）最柔软D）最坚硬SNCs的移动路径；E、G）最柔软F、H）最坚硬SNCs的MSD分析；I）内吞时间与颗粒数的相关性。
总之，作者证明了纳米颗粒的弹性在调节其巨噬细胞摄取和受体介导的癌细胞摄取方面起着至关重要的作用。对于巨噬细胞吞噬作用和受体介导的内吞作用，NPs的弹性会显著影响其细胞摄取，而癌细胞在非特异性网格蛋白和微囊蛋白依赖性内吞作用中可能会失去其敏感性。这项研究为NP的机械性能如何调节其与细胞的相互作用提供了指导，并突出了配体-受体相互作用所起的作用，这为将来设计NP增强药物输送提供指导。
撰稿人：张倩倩、杨健
编辑：面面
原文链接：