השפעת תשלום פני השטח על תוספת חלקיקים ננו ועל רעלנות

חלקיקים - חומרים עם לפחות מימד אחד מתחת 100 ננומטרים - יש מהפכה שדות החל ביומדיקים ועד להפעלה סביבתית. הגודל שלהם מינוס נותן להם תכונות פיזיקליות ייחודיות שונה במידה ניכרת מחומרים גדולים, המאפשר אינטראקציה עם מערכות ביולוגיות כי הם גם בטוח וגם בטוח לקחת סיכונים. בין המאפיינים כי תכתיב התנהגות חלקיקים בסביבה ביולוגית, המטען הוא ראשי כמו גם חומרים כימיים חיוניים, ולכן הוא פיקוח על פני השטח של צינורות אלקטרו-חומרים אחרים.

מימון של טעינה על פני השטח: פוטנציאל Zeta

עלות משטח עולה מקבוצות ionizable על פני השטח nanoparticle - כגון carboxyl, amino, או sulfonate moieties - אשר להיות פרוטון או deprotonated בהתאם ל- pH שמסביב.במדיה קפואה, המטען הזה מושך שכבה של חלקיקים נגד mta, להרכיב שכבה חשמלית כפול 30.

גורמים המשפיעים על פני השטח כוללים את חומר הליבה (למשל, זהב, סיליקה, פולימרי), הסוג והדחיסות של ligands משטח ligands, pH ו- ionic Power של המדיום ההשעות, ואת נוכחות של מודעות ביומולקולות פולימרים ארוכותיים (לדוגמה, נוגדנים חד-ממדיים של חלקיקים) ציטים, מספקים פוטנציאל zeta שלילי, בעוד ש-FedicPE (I) הם תכונות קריטיות ל-ofi) כדי להשיג תכונות ספציפיות של , כדי להשיג את היכולת של הנדסה של חומר גנטיות, או חומרים ביולוגיים, הוא חיוני כדי להשיג את ה-Climatesecticial, הוא חיוני כדי להשיג את היכולת של חומר מרכזי עבור ®DFepted כדי להשיג את היכולת של חומר LTDNUMFepted to belimatescepted to להשיג âparticleslimates.

טעינה ו- Cell Uptake Mechanisms

התפקיד של אינטראקציות אלקטרוסטטיות

membranes לשאת מטען שלילי נטו בשל שפע של זריפים ionic, proteoglycans, גליקופרוטאינים על על עלון החיצוני. זה מטען משטח שלילי יוצר נוף אלקטרוסטטי כי nanoparticles חייב לנווט. חיובי (דלקתי) חלקיקים נמשכים אלקטרוסטטיים על ידי השפעה שלילית, כולל aLTic פעמים לאחר מכן, 000) הוא נמשך אלקטרוסטטיאורדטיבית על ידי מספר פעמים תגובה פנימית חלש יותר, כולל משיכה פנימית, כולל לנטרל את זה (Factic).

עם זאת, הקשר בין גודל המטען לבין עלייה אינו ליניארי לחלוטין.חיוב חיובי מופרז יכול לגרום ל- nanoparticle aggregation, להפחית את הפיזור, ולגרור שכנוע מהיר על ידי חלבונים סרום - תהליכים שעלולים למעשה להגביל את ה- Cell uptakeFLT:0in vivoFLT:1 טווח תשלום אופטימלי, לעתים קרובות בין +20 ל- +40V, ממקסימים תוך כדי התנגשות חלבון לא רצוי.

« « TEROICITSTS AND Beyond

רוב חלקיקים נכנסים תאים באמצעות נתיבים האנדוקטיים תלוי באנרגיה. Clathrin-mediated endocytosis, Caveolae-mediaed endocytosis, ומאקרופינוק הם בין המסלולים הדומיננטיים על פני השטח השפעות כי המסלול הוא מעדיף Cationic חלקיקים לעתים קרובות לנצל אנדוקרוזיס קלנדרית או מאקרו-מקרוטוקוזיס, בעוד שהמסלולים רעילים עלולים להתרחש.

מעבר אנדוקרוזיס, המטען יכול גם להשפיע על מעבר ישיר על פני מזכר פלזמה, במיוחד עבור חלקיקים קטנים מאוד (<10 nm) או אלה עם משטחים אמפיפיליים מאוד.חדירה ישירה זו עשויה לספק מסלול חלופי לאספקת סוכנים טיפוליים לcytosol, אבל זה גם מעלה חששות לגבי הפרעת membrane ו un control.

השפעות על אחריות על פני השטח

Membrane Disruption ו- Cytotoxicity

אותה משיכה אלקטרוסטטית שמניעה ספיגה סלולרית יעילה יכולה גם לגרום נזק. חלקיקים מטושטשים חזק, במיוחד אלה עם צפיפות גבוהה של אמוניום או קבוצות amine, יכול לערער את bilayerlytoxic על ידי יצירת poress, תמצית שומנים, או גרימת שלב הפרדה.

מתח אוקסידי ותגובה דלקתית

מעבר נזק מיידי membrane, על פני השטח מודטים מתח חמצון. חלקיקים Cationic נוטים לייצר רמות גבוהות יותר של מינים חמצן תגובתי (ROS) בתוך תאים.זה קורה באמצעות תפקוד מיטוכונדריאלי, הפעלה של NADPH oxidase, או שחרור של תות מתכת מגרעין ננופ חלקיקים.

חלקיקים טעונים וננו-חלקיקים נייטרליים בדרך כלל מייצרים פחות ROS וגורמים לתגובות דלקתיות חלשות יותר.עם זאת, חריגים קיימים – חלקיקים יוןיים מסוימים, כגון dots קוונטיים מגובשים, הוכחו כי הם גורמים לcytotoxicity בסוגים ספציפיים של תאים.התמונה המלאה מורכבת ותלויה על הליבה חלקיקים, גודלו והסביבה הביולוגית.

השוואת השפעות טעינה על פני סוגים חלקיקים

כדי להמחיש את רוחב הרעלה הקשורה לחיוב, יש לשקול שלוש מערכות חלקיקים נפוצות:

• (FLT:0) חלקיקים (LNPs) ⁇ FLT:1: ליטוני שומנים בשימוש ב LNPs (למשל, עבור חיסון mRNA) משפרים את הבריחה אנדומאלית ואת המשלוח אבל יכול גם לגרום לcytotoxic תלות במינון ושחרור פרוטמפטרוני.
• (ב) ⁇ :0) חלקיקים ננו-חלקיקים ננו-חלקיקים (FLT:1 ; Amine-modified (דלקתיים) הם רעילים יותר מאשר לא מתוחכמים (הטעימים באופן שלילי) בתאים אפילפטיים ריאות, עם ייצור ורוד גבוה יותר ופעילות hemolytic.
• (FLT:0) חלקיקים ננו-חלקיקים גדולים יותר: חלקיקים זהב Cationic (למשל, פונקציונלי עם CTAB או PEI) הם גורמים חזקים של מוות התא, בעוד citrate או PEG-coated (אני או נייטרלי) חלקיקים נחשבים בדרך כלל bioתואמים למינונים נמוכים עד בינוניים.

דוגמאות אלה מדגישות כי בעוד מטען חיובי יכול להגביר את ההעלאה, זה לעתים קרובות מתואם עם רעילות מוגברת.האתגר הוא להדוף את ההשפעות הללו באמצעות עיצוב פנים אינטליגנטי.

אסטרטגיות ל Balancing Uptake ו- Toxicity

בהתחשב בעובדה כי חלקיקים ויזואליים טהור הם לעתים קרובות מדי רעילים עבור יישומים ביולוגיים, החוקרים פיתחו כמה אסטרטגיות כדי להשיג חלון טיפולי חיובי חיובי.המטרה היא לשמור על תשלום חיובי מספיק כדי לקדם את העלייה תוך צמצום תופעות לוואי.

עקבו אחרי Bioתואמים Polymers

עם חלקיקים עם פולימרים כגון פוליאתילן גליקול (PEG), Chitosan, או פולי(lactic-co-glycolic חומצה) (PLGA) יכול להגן על המטען הליבה, להפחית את המודעות לחלבון (opsonization), ולהפחית את הרעילות של PEGylation, במיוחד, הוא שיטה סטנדרטית זהב אשר מוסיף שכבת הידרופילית, באופן ייצוב באופן פתור על ידי חומצה סולרית, להפחית את הפחתת זמן החיסון באופן יעיל.

מערכות אחראיות וחיוביות - מערכות מכושנות

גישה אלגנטית נוספת היא לעצב חלקיקים אשר על פני השטח שינויים בתגובה רמזים סביבתיים כגון pH, אנזימים או טמפרטורה. לדוגמה, חלקיקים שהם נייטרליים או מעט שלילי ב pH פיזיולוגי יכול להיות מואשם חיובי במיקרו-אזורי גידול מעט חומצי זעיר microenvironment.זה התנהגות "חיוב-switchable" מאפשר רעילות במהלך מחזור הדם ולהגדיל את המטרה של אחד משתמשים ב- pH נמוך, כגון הרעלת לחץ דם, כמו הרעלת.

סוכני אחריות ומיזוג מערכות טעינה

שילוב של לימפואידים או פולימרים לתוך חלקיקים ic בעיקר יכול לכוונון את המטען הכולל לאיזון חיובי. לדוגמה, לימפומיים המורכב תערובת של לימפואידים ic ו anionic (או zewitterionic ליפידים) יכול להיות מטען נטו קרוב אפס, צמצום הן aggregation והן רעילות לא ספציפית, תוך כדי לאפשר שכבת דלקת מפרקים בינונית יכול לעתים קרובות להיות מעורבבבבבבבבבב כמו גם עם תאים פוליקוגניים.

פיתוח קבוצות פונקציונליות

במקום לשנות את הליבה חלקיקים, החוקרים יכולים לשנות את צפיפות וסוג של קבוצות פונקציונליות פני השטח.שימוש קבוצות גילאניניום (בנמצאים ב peptides תאים עשיר-penetrating) במקום amines ראשוני יכול לשפר את הפחתת דרך ההנחיות אלקטרוסטטי של חיבור מימן מתקדם באופן דומה, שילוב של שבריר קטנה של קבוצות חיוביות בתוך PEG צפוף יכול לספק "חיוב" מתוחכמות יותר של עומסי של לחץ שטח של לחץ דם תחרותי.

גודל חלקיקים וצורה סינרגיסטנית

מטען פני השטח אינו פועל בידוד - גודל חלקיקים וצורה משנה באופן משמעותי את ההשפעה שלו. חלקיקים קטנים יותר (sub-50 nm) יש יותר רפיח ויכול להציג קבוצות פונקציונליות יותר צפופה, שיפור אפקטים מטען. חלקיקים בצורת או בצורת דיסק עשויים להיות קינטיקה מחלחלת שונה מאשר ספירות.שלב אופטימיזציה עם גודל ועיצוב מציע גישה רב-ממדית להשגת יעיל יותר בטוח וננו חלקיקים יעיל.

יישומים וכיוונים עתידיים

אספקת סמים וג'ין

היכולת לשלוט על ספיגה סלולרית באמצעות טעינת פני השטח מנוצלת במערכות משלוח סמים, במיוחד עבור טיפולים אנטי-סרטן וחומרים גנטיים. Cationic lipid nanoparticles (LNPs) הם הדוגמה הבולטת ביותר, לאחר שאומת במרפאה עבור דלקת ריאות (למשל, חיסון נגד מחלות ריאות) ו- siRNA (למשל, פטיאני) למערכות הצלחה אלה של ארקנסומיים חיובי מספיק כדי לא להיות ממוקדים חיובי, אבל לחץ דם חיובי על מנת לקדם טיפול תרופתי זה מספיק.

יישומים סביבתיים ותעשייתיים

מטען פני השטח גם שולט גורל חלקיקים במערכות סביבתיות.לדוגמה, בטיפול במים, חלקיקים טעונים חיובי ניתן להשתמש למודעות או חלקיקים טעונים באופן שלילי כגון חומצות לחות או תפיסות מתכת כבדות. עם זאת, אותו מטען חיובי יכול להוביל להדבקה עם קולונואידים טבעיים וצמצום הניידות באדמה או בהבנת מים.

שיקולים ובטיחות

כמו nanotechnologies proLiferate, סוכנויות רגולטוריות כמו US מזון ותרופות מינהל (FDA) וסוכנות התרופות האירופית (EMA) מתמקדים יותר ויותר באופיינום ננו-חומרי, כולל טעינה על פני השטח.תקנות ה-REACH של האיחוד האירופי דורשות נתונים פיזיים-כימיים מפורטים עבור ננו-חומרים, כולל פוטנציאל zeta.

כלים וטכניקות מתפתחות

שיטות אנליטיות מתקדמות מעמיקות את ההבנה שלנו של אינטראקציות מטען-ביולוגיה.טכניקות כגון מיקרוסקופיה Cryo-electron, מיקרוסקופיות כוח אטומי, ו- fluorescence spectroscopy מאפשר לחוקרים לדמיין אינטראקציות nanoparticle-membrane ברמה המולקולרית. Machine אלגוריתמים למידה אלגוריתמים על נתונים גדולים של חלקיקים ותוצאות ביולוגיות מתחילים לחזות גמישות ולהגדיל את יעילותם מבוססת על פני השטח המשתנים אחרים.

מסקנה

מטען פני השטח הוא משתנה מאסטר בביולוגיה חלקיקים.It שולט אינטראקציות אלקטרוסטטי הראשוני עם membranes תאים, קובע את היעילות ואת המסלול של הגשמה, ומשלב את הרעילות הזרם באמצעות הפרעה membrane, לחץ oxidative, והפעלה חיסונית. בעוד המטען חיובי ממשיך בדרך כלל להגביר את ספיגה, זה לעתים קרובות מגיע עלות של רעילות מוגברת, יצירת מתח זה חייב להיות מנוהל בקפידה על ידי תחזיות גבוהות של מערכות הגנה על פני השטח - כולל חומרים מאובטחים בטוח יותר, כולל חומרים מאובטחים אחרים.

לקריאה נוספת על הממשק המורכב של nanoparticle משטח מטען ומערכות ביולוגיות, להתייעץ עם (FLT:0a 2019 סקירה ב-Nanoscale AdvancesveFLT:1 המכסה תובנות מכניות והתפתחויות האחרונות בהנדסה פני השטח.