Table of Contents

Наночастицы — материалы, имеющие по меньшей мере одно измерение менее 100 нанометров, — произвели революцию в различных областях, от биомедицины до восстановления окружающей среды. Их крошечный размер дает им уникальные физико-химические свойства, которые заметно отличаются от объемных материалов, что позволяет взаимодействовать с биологическими системами, которые являются многообещающими и потенциально опасными. Среди свойств, которые диктуют поведение наночастиц в биологических средах, поверхностный заряд выделяется как основной детерминант. Электрический заряд на поверхности наночастицы регулирует, как он взаимодействует с клеточными мембранами, белками и другими биомолекулами, тем самым влияя на эффективность поглощения клеток и последующую токсичность. Понимание и контроль поверхностного заряда, следовательно, имеет важное значение для разработки безопасных и эффективных нанотехнологий.

Основы зарядки поверхности: потенциал Зеты

Поверхностный заряд возникает из ионизируемых групп на поверхности наночастиц — таких как карбоксил, амино или сульфонатные группы — которые становятся протонированными или депротонированными в зависимости от окружающего рН. В водной среде этот заряд притягивает слой контрионов, образуя электрический двойной слой. Электростатический потенциал на плоскости скольжения этого двойного слоя известен как зета-потенциал . Зета-потенциал является наиболее часто измеряемым показателем поверхностного заряда наночастиц, обычно выраженного в милливольтах (mV). Частицы с дзета-потенциалами выше +30 мВ или ниже —30 мВ считаются сильно заряженными и электростатически стабильными, в то время как значения около нуля указывают на нейтральные или слабо заряженные частицы, склонные к агрегации.

Факторы, влияющие на поверхностный заряд, включают основной материал (например, золото, кремнезем, полимерный), тип и плотность поверхностных лигандов, рН и ионную прочность суспендирующей среды и наличие адсорбированных биомолекул. Например, покрытые цитратом золотые наночастицы проявляют отрицательный зетский потенциал, тогда как частицы, покрытые цитратом, являются сильно положительными. Способность настраивать поверхностный заряд является центральной для инженерных наночастиц для конкретных биологических взаимодействий. Исследователи регулярно модифицируют поверхности с полимерами, пептидами или антителами для достижения желаемых характеристик заряда. Всестороннее понимание зетового потенциала и его измерения доступно из обзора 2017 года в Международном журнале наномедицины .

Механизмы зарядки поверхности и клеточного поглощения

Роль электростатических взаимодействий

Клетки несут чистый отрицательный заряд из-за обилия анионных фосфолипидов, протеогликанов и гликопротеинов на внешней листовке. Этот отрицательный поверхностный заряд создает электростатический ландшафт, по которому должны перемещаться наночастицы. Положительно заряженные (кационные) наночастицы электростатически притягиваются к отрицательно заряженной мембране, способствуя адгезии и последующей интернализации. Напротив, отрицательно заряженные (анионные) и нейтральные частицы испытывают более слабое притяжение или даже отталкивание, что приводит к снижению эффективности поглощения. Этот фундаментальный принцип поддерживается многочисленными исследованиями, включая знаковую работу Gratton et al. в ACS Nano (2008), которая продемонстрировала, что катионные частицы интернализуются в несколько раз быстрее, чем анионные или нейтральные аналоги.

Однако связь между величиной заряда и поглощением не является строго линейной. Чрезмерно высокий положительный заряд может вызвать агрегацию наночастиц, уменьшить диффузию и вызвать быструю опсонизацию белками сыворотки — процессы, которые могут фактически ограничить поглощение клеток in vivo . Оптимальный диапазон заряда, часто между +20 и +40 мВ, максимизирует поглощение, сохраняя коллоидную стабильность и минимизируя нежелательное связывание белка.

Оригинальное название: Uptake Pathways: Endocytosis and Beyond

Большинство наночастиц попадают в клетки по энергозависимым эндоцитным путям. Клатрино-опосредованный эндоцитоз, кавеоле-опосредованный эндоцитоз и макропиноцитоз являются одними из доминирующих путей. Поверхностные зарядовые влияния, которым отдается предпочтение. Катионные наночастицы часто эксплуатируют клатрино-опосредованный эндоцитоз или макропиноцитоз, в то время как анионные частицы могут преимущественно задействовать рецепторы падальщика или кавеолярные пути. Выбор пути имеет последствия для внутриклеточного оборота, судьбы частиц и потенциальной токсичности. Например, частицы, которые входят через кавеолы, могут обходить лизосомальную деградацию, тогда как клатрино-опосредованный эндоцитоз обычно доставляет груз в лизосомы, где может произойти деградация и возможное высвобождение токсичных ионов.

Помимо эндоцитоза, заряд может также влиять на прямую транслокацию через плазматические мембраны, особенно для очень маленьких наночастиц (<10 нм) или тех, у кого очень амфифильные поверхности. Это прямое проникновение может обеспечить альтернативный путь доставки терапевтических агентов в цитозол, но это также вызывает опасения по поводу нарушения мембраны и неконтролируемого проникновения.

Токсичное воздействие поверхностного заряда

Мембранное нарушение и цитотоксичность

То же электростатическое притяжение, которое стимулирует эффективное поглощение клеток, также может причинить вред. Катионные наночастицы, особенно с высокой плотностью четвертичного аммония или аминовых групп, могут дестабилизировать липидный бислой путем формирования пор, извлечения липидов или индуцирования фазового разделения. Это нарушение нарушает целостность мембраны, приводя к утечке цитоплазматического содержимого и гибели клеток. Исследования показали, что воздействие высоко катионных частиц может вызвать быстрый некроз в культивируемых клетках, часто в течение нескольких минут до нескольких часов. Например, исследование 2017 года в Scientific Reports показало, что полиамидоаминные (PAMAM) дендримеры с высоким положительным зарядом вызывали серьезное повреждение мембран, в то время как анионные дендримеры были по существу нетоксичными при эквивалентных концентрациях.

Окислительный стресс и воспалительные реакции

Помимо непосредственного повреждения мембраны, поверхностный заряд модулирует окислительный стресс. Катионные наночастицы имеют тенденцию генерировать более высокие уровни активных форм кислорода (ROS) внутри клеток. Это происходит через митохондриальную дисфункцию, активацию оксидазы NADPH или высвобождение ионов металлов из ядра наночастиц. Повышенный ROS может подавлять эндогенные антиоксидантные защиты, вызывая перекисное окисление липидов, повреждение белков и разрывы нити ДНК. Хронический окислительный стресс также связан с воспалительными сигнальными путями, включая активацию NF-κB и MAPK, что может привести к устойчивому воспалению, фиброзу или даже канцерогенезу при длительных воздействиях.

Негативно заряженные и нейтральные наночастицы обычно производят меньше ROS и вызывают более слабые воспалительные реакции. Однако существуют исключения - определенные анионные частицы, такие как карбоксилированные квантовые точки, как было показано, вызывают цитотоксичность в конкретных типах клеток. Полная картина сложна и зависит от ядра частицы, размера и биологической среды.

Сравнение эффектов заряда по типам частиц

Чтобы проиллюстрировать широту токсичности, связанной с зарядом, рассмотрим три распространенные системы наночастиц:

  • Липидные наночастицы (LNP): Катонические липиды, используемые в LNP (например, для мРНК-вакцин), усиливают эндосомный выход и доставку, но также могут вызывать дозозависимую цитотоксичность и провоспалительное высвобождение цитокинов. Нейтральные или цвиттерионные липиды снижают токсичность за счет снижения эффективности трансфекции.
  • Наночастицы кремнезема : Наночастицы кремнезема, модифицированные аминами (кационные) кремнезема, более токсичны, чем немодифицированный (отрицательно заряженный) кремнезем в эпителиальных клетках легких, с более высокой продукцией ROS и гемолитической активностью.
  • Золотые наночастицы : Катионные наночастицы золота (например, функционализированные с CTAB или PEI) являются мощными индукторами гибели клеток, в то время как наночастицы золота с цитратным или PEG-покрытием (анионные или нейтральные) обычно считаются биосовместимыми при низких и умеренных дозах.

Эти примеры подчеркивают, что, хотя положительный заряд может повысить поглощение, он часто коррелирует с повышенной токсичностью. Задача состоит в том, чтобы отделить эти эффекты с помощью интеллектуального проектирования поверхности.

Стратегии для балансирования поглощения и токсичности

Учитывая, что чисто катионные наночастицы часто слишком токсичны для биологических применений, исследователи разработали несколько стратегий для достижения благоприятного терапевтического окна.Цель состоит в том, чтобы сохранить достаточный положительный заряд для содействия поглощению при смягчении неблагоприятных последствий.

Покрытие поверхности биосовместимыми полимерами

Покрытие наночастиц полимерами, такими как полиэтиленгликоль (ПЭГ), хитозан или поли(молочная ко-гликолевая кислота) (ПЛГА), может экранировать основной заряд, снижать адсорбцию белка (опсонизацию) и снижать токсичность.ПЭГилирование, в частности, является методом золотого стандарта, который добавляет гидрофильный, стерически стабилизирующий слой.ПЭГ снижает эффективный зета-потенциал, снижает неспецифические взаимодействия с клеточными мембранами и продлевает время циркуляции, уклоняясь от иммунного клиренса. Однако чрезмерная плотность ПЭГ также может уменьшать поглощение клеток путем маскировки заряженных фрагментов. Поэтому оптимальная плотность поверхности ПЭГ должна быть эмпирически определена для каждой системы наночастиц.

Системы с возможностью зарядки и переключения заряда

Другой элегантный подход заключается в разработке наночастиц, поверхностный заряд которых изменяется в ответ на сигналы окружающей среды, такие как рН, ферменты или температура. Например, наночастицы, которые нейтральны или слегка отрицательны при физиологическом рН, могут стать положительно заряженными в слегка кислой микросреде опухоли. Это поведение «переключаемого заряда» позволяет снизить токсичность во время циркуляции и увеличить поглощение в целевом месте. Одна популярная стратегия использует полимеры с pH-лабильными связями (например, ацеталь, гидразон), которые расщепляются при низком рН, чтобы подвергнуть аминные группы. Аналогично, частицы, реагирующие на ферменты, могут пролить анионное экранирование в присутствии матричных металлопротеиназ, выявляя катионную внутреннюю часть.

Нейтрализующие зарядные агенты и смешанные системы зарядки

Включение анионных липидов или полимеров в преимущественно катионную наночастицу может настроить общий заряд на благоприятный баланс. Например, липосомы, состоящие из смеси катионных и анионных липидов (или звиттерионных липидов), могут иметь чистый заряд, близкий к нулю, уменьшая как агрегацию, так и неспецифическую токсичность, при этом все еще допуская некоторое поглощение эндоцитов. Неорганические наночастицы могут быть аналогично смешаны - например, покрытие оксидных ядер железа смешанным полиэлектролитным слоем поликации и полианиона. Результатом часто является наночастица «стелс», которая хорошо циркулирует и попадает в клетки с умеренной скоростью.

Оптимизация функциональной группы поверхности

Вместо того, чтобы изменять ядро наночастиц, исследователи могут модифицировать плотность и тип поверхностных функциональных групп. Использование групп гуанидиния (находящихся в богатых аргинином пептидах, проникающих в клетки) вместо первичных аминов может усиливать поглощение посредством электростатического наведения бидентатного водородного соединения. Аналогичным образом, включение небольшой части положительных групп в плотную щетку PEG может обеспечить «заплатку», которая способствует взаимодействию мембран без полного покрытия заряда высокой плотности. Пространственное расположение зарядов на поверхности наночастиц является новой областью исследований, которая может дать более сложный контроль.

Размер и форма частиц синергетически

Поверхностный заряд не действует изолированно — размер и форма частиц значительно модулируют его эффект. Меньшие наночастицы (суб-50 нм) имеют более высокую кривизну и могут представлять функциональные группы более плотно, усиливая эффекты заряда. Родообразные или дискообразные частицы могут иметь различную мембранную кинетику, чем сферы. Комбинирование оптимизации заряда с размером и конструкцией формы предлагает многомерный подход к достижению безопасных и эффективных наночастиц.

Приложения и будущие направления

Доставка лекарств и генная терапия

Способность контролировать поглощение клеток через поверхностный заряд используется в системах доставки лекарств, особенно для противораковой терапии и генетических материалов. Катионные липидные наночастицы (LNP) являются наиболее ярким примером, будучи проверенными в клинике для мРНК-вакцин (например, вакцины против COVID-19) и siRNA-терапевтики (например, патисиран). Успех этих систем зависит от тонкого баланса: достаточно положительного заряда для инкапсуляции отрицательно заряженных нуклеиновых кислот и содействия эндосомному выходу, но не настолько, чтобы он стал токсичным или вызывает чрезмерную активацию комплемента. Текущие исследования фокусируются на биоразлагаемых ионизируемых липидах следующего поколения, которые становятся катионными только при кислотном pH эндосом, тем самым снижая системную токсичность.

Экологические и промышленные применения

Поверхностный заряд также управляет судьбой наночастиц в системах окружающей среды. Например, при обработке воды положительно заряженные наночастицы могут использоваться для адсорбции отрицательно заряженных загрязнителей, таких как гуминовые кислоты или анионы тяжелых металлов. Однако тот же положительный заряд может привести к агрегации с природными коллоидами и снижению мобильности в почве или грунтовых водах. Понимание взаимодействий заряда поэтому имеет решающее значение для оценки экологических рисков наноматериалов и для разработки инженерных наночастиц для восстановления. Токсичность заряда для водных организмов, таких как водоросли и рыбы, является областью активного исследования.

Нормативно-правовые аспекты и соображения безопасности

По мере распространения нанотехнологий регулирующие органы, такие как Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) и Европейское агентство по лекарственным средствам (EMA), все больше внимания уделяют характеристике наноматериалов, включая поверхностный заряд. Правила REACH Европейского союза требуют подробных физико-химических данных для наноматериалов, включая зету. Производители должны продемонстрировать, что их продукты являются эффективными и безопасными, что неизбежно включает оптимизацию свойств поверхности. Растущий объем литературы по соотношениям структуры и активности для наночастиц может в конечном итоге позволить прогнозные модели, которые уменьшают необходимость в обширных испытаниях на животных.

Новые инструменты и методы

Передовые аналитические методы углубляют наше понимание взаимодействий заряд-биология. Такие методы, как криоэлектронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия и флуоресцентная корреляционная спектроскопия, позволяют исследователям визуализировать взаимодействия наночастиц-мембран на молекулярном уровне. Алгоритмы машинного обучения, обученные на больших наборах данных свойств наночастиц и биологических исходов, начинают предсказывать цитотоксичность и эффективность поглощения на основе потенциала дзеты, поверхностных функциональных групп и других особенностей. Эти инструменты ускорят рациональный дизайн безопасных наноматериалов.

Заключение

Поверхностный заряд является основной переменной в биологии наночастиц. Он управляет начальными электростатическими взаимодействиями с клеточными мембранами, определяет эффективность и путь интернализации и модулирует токсическую активность в нисходящем потоке через разрушение мембран, окислительный стресс и иммунную активацию. В то время как положительный заряд обычно усиливает поглощение, он часто возникает за счет повышенной токсичности, создавая напряжение, которым необходимо тщательно управлять. Широкий спектр стратегий поверхностной инженерии - включая полимерные покрытия, сменные конструкции и смешанные системы заряда - предлагает путь к наночастицам, которые являются эффективными и безопасными. По мере развития поля интеграция управления зарядом с другими физико-химическими параметрами и использование вычислительного прогнозирования позволит следующему поколению интеллектуальных нанотерапевтических и нанодиагностических средств. Исследователи и производители должны продолжать уделять приоритетное внимание тщательной характеристике поверхностного заряда в биологических средах для обеспечения надежных и воспроизводимых результатов.

Для дальнейшего чтения о сложном взаимодействии поверхностного заряда наночастиц и биологических систем, проконсультируйтесь с обзором 2019 года в Nanoscale Advances, который охватывает механистические идеи и последние разработки в области поверхностной инженерии.