Table of Contents
חלקיקים, המוגדרים כחלקיקים עם לפחות מימד אחד מדידת פחות מ -100 ננומטרים, מציגים השפעות פיזיות וכימיקליות ייחודיות מעמיתיהם הגדולים, תכונות אלה - יחס שטח-שטח-על-מנת-לכול, כימיה על פני השטח הטונה, ואפקטים קוונטיים - גורמים ננו-חלקיקים בעלי ערך על פני הרפואה, האלקטרוניקה, אלקטרוניקה, מתווכים סביבתיים, ומוצרים צרכניים.
המבנה והתפקוד של Membranes
חלקיקים תאיים הם אסיפות מתוחכמת שמשמשות כנקודת המגע הראשונה של חלקיקים.מודל פסיפס נוזל קלאסי מתארת phosphospholipid bilayer interspersed עם חלבונים, כולסטרול, וגליצרנים.הרובה מכילה amphipbriic לימפואידים - ראשי הידרופיליים עומדים בפני הסביבה הריקה והזנבים הידרופוביים, אשר יוצרים את הליבה מספקת חלבונים קולטניים ומולקוליים עמוק.
Lipid רפטס ו-Nanomains
מחקר מודרני מגלה כי membranes אינם הומוגניים; הם מכילים תא nanoscale דינמי הנקראת Lipid רפסודס מועשרים ב sphingolipids, כולסטרול, חלבונים ספציפיים. אלה רפסודות משמשות כרכזות אות ו יכול להתרכז nanoparticle מחייב, במיוחד עבור חלקיקים מצופים עם ligands מיקוד קולטנים הקשורים רפטינג.
מכניזם של Nanoparticle-Membrane אינטראקציה
חלקיקים יכולים אינטראקציה עם קרום סלולרי באמצעות כמה תהליכים פיזיים ביולוגיים שונים, לעתים קרובות המתרחשים בשילוב. אינטראקציות אלה טווח מפרסומות פשוטות להגשמה מורכבת, תלות באנרגיה.המנגנונים יכולים להיות מסווגים באופן רחב לתוך מסלולים פסיביים ופעילים.
אינטראקציה פסיבית: אדמירפורציה וממברה
(FLT:0) AdsorptionFLT:1 הוא החייב הניתוק של חלקיקים אל פני השטח membrane, מונע על ידי כוחות אלקטרוסטטיים, אטרקציות ואן דר Waals, או אינטראקציות הידרופוביות. חיובי nanoparticles לעתים קרובות לדבוק חזק על ידי קבוצות ראש phosphospholipidide שלילי ו אדפטפטציה גליקוקס בלבד יכול להוביל למוליזציה פנימית, אבל נגישות, כגון נוזל, כגון נוזל, כגון נוזל, כגון נוזל, כגון נוזל, כגון נוזל, כגון נוזל, כגון נוזל, 000.
חלקיקים מסוימים, במיוחד קטנים או אממפיפיליים, יכולים באופן פסיבי (FLT:0insertFLT:1 לתוך bilayer השואלים.חלקיקים אלה עשויים להתגורר בתוך הליבה הידרופובית, לחקות חלבונים טרנסממברינים. זה יכול לגרום דליקות, היווצרות נקבוביות מקומיות, או שינויים ביושרה membrane.
סיקור: Endocytic Pathways
רוב ההפניה של חלקיקים מתרחשת באמצעות תהליכים פעילים, תלויים באנרגיה הנקראים במשותף (FLT:0endocytosisFLT:1).
- (FLT:0)PhagocytosisFLT:1: בעיקר מבוצע על ידי phagocytes מקצועיים (macrophages, neutrophils), שבו חלקיקים גדולים יותר מ -0.5 מיקרומטר הם מפוצצים באמצעות נטיות membrane המונעות אקטין. Ligand-מקבל הכרה (למשל, phoson) הוא קריטי.
- (FLT:0)PinocytosisFLT:1: הפחתה לא ספציפית של נוזל ו solutes ב vesicles קטנים. Macropinocytosis, תת-סוג, כרוך ruffling של membrane וצורות vesicles גדולים (>1 μm) שיכול eng חלקיקים ונוזלים.
- (FLT:0)Clathrin-Mediated Endocytosis (CME)FLT:1: המסלול הנפוץ ביותר של קולטן תלוי קולטן. nanoparticles פונקציונלי עם ligands (למשל, העברה, folate) נקשר לקולטן membrane, אשר מקבץ לתוך משוריינים clathrin-coated.
- (FLT:0)Caveolin-Mediated EndocytosisFLT ( 1:1): מעורבים Caveolae - invaginations בצורת flask עשיר בחלבונים של Caveolin. מסלול זה יכול לעקוף השפלה lysososomal, שימושי עבור משלוח טיפולי. particles כי נקשר גליקוזילפוסוליקול (GP)-אני) קולטני או קולטני כולסטרול עשיר לעתים קרובות להיכנס דרך מערת רפלק.
- (FLT:0)Clathrin- and Caveolin-Independent EndocytosisFLT:1: מסלולים חלופיים דיים הכוללים קולטנים IL-2, flotillins, או Arf6 חלבונים.
המסלול האנדוקטי הספציפי קובע לאחר סחר לאטראובי, כולל בריחה אנדומאלית, השפלה lysosomal, או transcytosis.עיצוב חלקיקים כדי לנצל מסלול הרצוי הוא יעד מפתח של משלוח תרופות ממוקד.
חדירה ישירה ו Translocation
חלקיקים מסוימים, במיוחד אלה קטנים מאוד (<10 nm) או יש יחס היבט גבוה (למשל, ננודדים, ננופיבר), יכולים לחצות את המברה ללא אנדוקרוזיס קלאסית. זה translocation ישיר עשוי לכלול היווצרות transient poretrasient, membran עטיפה, או diffusion באמצעות פגמים לימפומיים.
גורמים המשפיעים על האינטראקציות של ננו-חלקיק-מברה
התוצאה של מפגשים nanoparticle-mbrane נקבעת על ידי משחק מורכב של תכונות פיזיוכימיות של החלקיק, המאפיינים membrane, והסביבה הסובבת.
גודל
גודל חלקיקים הוא אחד ה ⁇ הקריטיים ביותר. חלקיקים קטנים אולטרה-קטן (FLT:0200 nm) לסמוך יותר על phagocytosis או מאקרוpinocytosis. לדוגמה, 50 ננו חלקיקים זהב להראות עלייה תאית גבוהה יותר מאשר 15 nm או 100 מקבילים בקווים תאים רבים.
צורה
(FLT:0)ShapeveFLT:1 משפיע באופן דרמטי על דינמיקות אינטראקציה. חלקיקים pherical נוטים להיות פנימי יותר בקלות באמצעות אנדוקריטוזיס עקב עטיפה סימטרית membrane. Rod בצורת חלקיקים, כמו ננוד זהב או צינורות פחמן, יכול אינטראקציה אחרת: היבטים גבוהים עשויים פירעון membranes, הסתברות phagocyosis, כמו חלקיקים בצורת לחץ דם, או ירידה פנימית פחות.
טעינה חיצונית
המטען על פני השטח של חלקיקים, בדרך כלל באה לידי ביטוי פוטנציאל zeta, שולט אינטראקציות אלקטרוסטטי עם membrane תא טעון שלילי. גבוה חיובי חיובי חיובי חיובי חיובי מאוד לקדם דבקות חזקה ולעתים קרובות גבוה יותר עלייה, אבל הם יכולים גם לשבש את השלמות membrane ולגרום רעילות. picly מואשם חלקיקים עלולים להדוף את המחבט הספציפי, המוביל להורדת אי-דיוק, למרות שהם עדיין יכולים להיות פנימיים באמצעות מצופה רחם על ידי רחם ולהפחית את הפחתת החומצה אלקטרו-דלקתית (חומצה) או ציפויים (חומצה).
פונקציונליות וקידוד
ההרכב הכימי של משטח חלקיקים (Nanoparticle) הוא רב-חשיבות.FLT:0 (Polyethylene glycol (PEG) ציפוי חלקיקים 1 משמש באופן נרחב כדי לשפר את יציבות הקולואידית, להפחית את האבחון, ולהאריך את זמן מחזור הדם.עם זאת, PEG יכול גם להפחית את הטיפות התאיות על ידי מגע סטרימנטאלי.
חיקוי וסוג תאים
סוגים שונים של תאים מבטאים קבוצות נפרדות של קולטנים membrane, לימפואידים, וגליקופרוטאינים, המוביל אינטראקציות nanoparticle ספציפית תא.לדוגמה, תאים סרטניים לעתים קרובות overexpresst קולטנים, מה שהופך אותם רגישים חלקיקים מפוסקים-המצבים מורכבים של גלוקוזקים יש גם יכולת phagocytic גבוהה, בעוד נוירונים עשויים להיות עמידים יותר כדי לעקוף את שכבת הסימון (recerece-rece) עם השפעה גבוהה יותר מאשר crecereceddddddddddddddd) עם השפעה על ידי ccupic).
תנאים סביבתיים
גורמים חיצוניים כגון pH, טמפרטורה, כוח אקולוגי, ונוכחות חלבונים סרום משפיעים הן חלקיקים והן על תכונות membrane. pH נמוך (למשל, מיקרו-סביבה של גידול) יכולים להמריץ קבוצות פונקציונליות, שינוי המטען ומדינת ההדבקה.טמפרטורות משפיעות על נוזל קרום ופעילות אנדוקרטית.
תרופות: אספקת תרופות ואימות
הבנה של אינטראקציות nanoparticle-membrane יש יישומים ישירים בעיצוב מערכות אספקת תרופות מבוזרות FLT:1 . על ידי גודל, צורה וכימיה פני השטח, החוקרים יכולים להשיג הצטברות סלקטיבית ברקמות המחלה תוך ספיגה תאים בריאים.
- (FLT:0) טיפול תרופתי (Cancer TherapyveFLT:1): חלקיקים עמוסים עם כיסמאוטיקה ניתן למצופה עם ligands מיקוד מעל קולטנים מבוטאים (למשל, HER2, EGFR, PSMA) חלקיקים של -100 nm לנצל את ההסתה וההחזקה המוגברת (EPR) בגידולים ולהיכנס באופן פעיל לתאי סרטן באמצעות קולטן-מוזיקת, תרופות הרגעה.
- (FLT:0) חלקיקים ננו-חלקיקים פולימריים משמשים כדי לספק את RNA, mRNA, או plasmid DNA. המטען החיובי שלהם מאפשר מודעות מנברן ובריחה אנדוסומטית באמצעות אפקט "הספוג הפרוטון" לאחרונה של חיסון mRNA-LNP עבור COVID מדגיש את החשיבות של אספקת חלקיקים יעילה של הנדסת חלקיקים.
- (FLT:0) דימות דימות דיפרנציסטיות (Diagnostic הדמיהFLT:1): חלקיקים זהב, דוט הקוונטי, וננו-חלקיקי ברזל משמשים כסוכני ניגוד.האינטראקציה שלהם עם מלמברנס תאים יכול לשפר את האות באמצעות הצטברות מכוננת קולטן, המאפשרת הדמיה מולקולרית של גידולים או אתרי דלקתיים.
אסטרטגיות מתפתחות כוללות את (FLT:0) nanoparticlesFLT ( 1:1 - חלקיקים המצופה עם קרום תאים טבעיים (למשל, תאי דם אדומים, כריות, תאים סרטניים) כדי להפחית את immunogenicity ולשפר את הציפויים האלה להציג מערך מורכב של חלבונים membrane כי אינטראקציה עם משטחים ביולוגיים, eva ניתוק דם חיסונית וגניציה כדי לרקמות ספציפיות.
השלכות לטוקסיקולוגיה ובריאות הסביבה
לא כל אינטראקציות חלקיקים-membrane הם שפירים.אינטראקציות בלתי רצויות יכולות להוביל לcytotoxicity, דלקת, סיכונים בריאותיים ארוכי טווח.FLT:0NanotoxicologyFLT:1 חוקר כיצד תכונות פיזיוכימיקליות מעוררות תוצאות שליליות:
- (FLT:0) הפרעות קרוטן (FLT:1): שארפ או חלקיקים קשיחים (למשל, צינורות פחמן, תחמוצת גרפן, חלקיקים כסף) יכולים לנקב פיזית, המוביל לדליפה של מושגים, ATP, חלבונים, בסופו של דבר גורם רשלנות או אפופטוזיס.
- (FLT:0) אוקסידטיבי מתחפר 1:1: חלקיקים רבים (למשל, TiO2, ZnO, CuO) יוצרים מינים חמצן תגובתיים (ROS) כאשר אינטראקציה עם רכיבים membrane. ROS מזיק לימפואידים, חלבונים, DNA, גרימת מסלולי אות דלקתיים.
- (FLT:0) הפרעות קבלה (FLT:1): מחייב לא ספציפי של חלקיקים לקולטן מלמברין יכול לחסום אותות, לשנות את החידה התאית, או לגרום לתגובות אוטואימוניות.
- (FLT:0) cumulation ו-lysososomalfunctionalFLT:1: גם כאשר פנימי בבטחה, חלקיקים שלא ניתן לצבור בדרגה יכולים לצבור ב-lysososomal, לפגוע בתפקוד שלהם ומוביל ללחץ התא.
סוכנויות מילואים כמו ה- FDA ו- EPA דורשות הערכה מעמיקה של בטיחות חלקיקים. in vitro assays באמצעות מודלים סלולריים (למשל, תאי מעיים של Caco-2, תאי A549 ריאות) ודמיית תוכן גבוהה משמשים כדי להעריך את השלמות membrane (LDH שחרור Assay), יעילות, וייצור דלקתי ללא cytokine.
התקדמות בדוגמנות מודלים וטכניקות ניסיוניות
כדי לפענח את הדינמיקה המורכבת של גורמים, החוקרים משלבים מודלים חישוביים עם כלים ניסיוניים מתקדמים.FLT:0Molecular דינמיקות (MD) סימולציות FLT:1 מודל nanoparticle-lipid ברזולוציה אטומית, גילוי מנגנונים של היווצרות porereactation, שפיכת שפתון ו- ndligase-gloggedtifiedסימולציה (למשל, שדה כוח) מאפשר חיזוי גדול יותר, כיצד סימולציה של זמן רב יותר, סימולציה של סימולציה של סימולציה של סימולציה של 2, סימולציה, סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה קדמית, סימולציה סימולציה קדמית, קדמית, סימולציה קדמית, קדמית, , סימולציה סימולציה קדמית, קדמית, סימולציה קדמית, סימולציה קדמית, , סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה קדמית, סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה קדמית, קדמית, קדמית, קדמית, , קדמית, קדמית, ⁇ סימולציה סימולציה קדמית, סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה , סימולציה קדמית, קדמית,
- (FLT:0)Quartz Crystal Microמאזן עם Dissipation (QCM-D)uaFLT:1: מדדים מסה ושינויים מולקולטיים על ננו-חלקיקים המחייבים תמיכה ב- bilayers ליומנים.
- (FLT:0) פלואורינג טייפוסקופיה (FCS)FLT:1: Tracks diffusion of labels taggeded nanoparticles on living cell membranes.
- (FLT:0) Atomic Force Microscopy (AFM)BuildFLT) 1:1: תמונות של טופוגרפיה ופעולות של כוחות במהלך רתיעה חלקיקים או קרע.
- (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
כלים אלה מספקים הבנה רב-מידה של אירועים מולקולריים לתוצאות סלולריות.
כיוונים עתידיים ואתגרים
למרות התקדמות משמעותית, אתגרים מרכזיים נשארים.ה-FLT:0חלבון כלואהב"ד:1 ב vivo הוא דינמי ולעתים קרובות בלתי צפוי; הנוכחי במחקרים vitro עשוי לא לשקף את הזהות הביולוגית האמיתית של חלקיקים.בנוסף, ה-FLT:2heterogene של מיקרו-סביבה 3 - עם רמות חמצן, חמצן, ודחיסות mlicared-retamind (למשל, לחץ חיצוני) כדי לספוג את רמת חום (למשל, לדוגמה, לחץ חיצוני) כדי למניעה של חומרים מגנטיים).
יתר על כן, עלייתם של ⁇ :0 ⁇ -particles מעקב אחר חלקיקים 1:1 ו- (FLT:2organ-on-a-chipphFLT 3 פלטפורמות מבטיח מודלים מציאותיים יותר של תעבורת חלקיקים באמצעות רקמות וחסמים ביולוגיים (למשל, מחסום דם-מוח, אפילם מעיים).
מסקנה
האינטראקציה של חלקיקים עם membranes סלולרי הוא שדה רב פנים בצומת של פיזיקה, כימיה, ביולוגיה והנדסה. על ידי ניתוק המנגנונים - adsorption, אנדוקרוזיס, חדירה ישירה - ושליטה גורמים כגון גודל, צורה, טעינה, ציפוי, החוקרים יכולים לעצב חלקיקים כי רתום או למנוע מלמברה לאינטראקציות טיפוליות או יעילות, כגון חיזוי כלים חיזוי, כמו גם הנדסת חומרים הבאים.