纳米材料与环境的相互作用-理解纳米颗粒-细胞膜的相互作用
马修·迪克森 16年10月13日 11分钟

纳米材料与环境的相互作用-理解纳米颗粒-细胞膜的相互作用

纳米颗粒如何与细胞相互作用?

纳米材料在被丢弃后如何与环境相互作用潜在的毒性和健康问题.无论纳米材料是否因其抗微生物特性被纳入商业商品(如运动服)或用于靶向药物治疗,其总体流行度正在上升。因此,人们接触这些材料的可能性也在增加。图1:纳米颗粒如何与模型细胞膜相互作用?

QCM-D(石英晶体微平衡与耗散监测)可以作为更好地理解纳米颗粒与细胞的相互作用的一步,通过支持的脂质双分子层(SLB)近似细胞表面,然后流动的纳米颗粒穿过模型细胞膜到探讨纳米颗粒与细胞膜的相互作用。使用这种细胞膜模拟允许研究人员简化细胞,并通过建立复杂性来研究膜的特定方面。从模型细胞膜或纳米颗粒本身的角度可以研究许多变量。这些包括:

  • 膜组成
  • 存在膜蛋白或其他成分,如胆固醇
  • 纳米颗粒型
  • 纳米颗粒的大小
  • 纳米涂层
  • pH值
  • 离子强度
  • 温度
  • 流量
  • 纳米颗粒溶液中的添加剂

在这篇文章中,我将简要介绍这一研究领域,并强调一些重要的参考文献和令人兴奋的近期工作。

下载应用说明:筛选纳米颗粒-蛋白质相互作用

通过QCM-D支持脂质双分子层的形成-关键参考文献

关于这类研究的一个伟大的事情是,分析设计的细节已经概述,并有发表的食谱如何在QCM-D传感器上形成支撑脂质双分子层

第一篇阐述QCM-D如何独特地探测脂质囊泡沉积以及囊泡破裂形成固体基质上的SLB的机制的论文由“用石英晶体微量天平测定脂囊吸附的表面比动力学凯勒C. A.;王志强,王志强。生物力学与工程学报,2004,29(3):379 - 379。在这篇参考文献中,研究了三个不同的表面:

  1. 疏水表面
  2. 二氧化硅表面
  3. 金表面。

在(1)疏水表面,发现有一单层脂质沉积。在金表面,囊泡完整地吸附。然而在二氧化硅表面,囊泡最初完整地吸附,直到达到显著的表面浓度,然后囊泡破裂形成脂质双分子层。

几年后,详细描述了如何在不同表面(包括二氧化硅、二氧化钛和金)上形成slb的逐步协议石英晶体微天平,支持脂质双分子层在各种基质上的耗散监测曹,新泽西;弗兰克,C. W.;Kasemo b;Höök, F.自然学报2010,5,1096-1106。这是非常有用的参考,对于那些新的脂质双分子层,正在寻找详细的步骤说明,如何准备这些类型的表面。

负载性脂质的作用机制以QCM-D为特征的双分子层形成

图2:示例QCM-D数据显示囊泡表面吸附(B)和破裂形成支撑的脂质双分子层(C)。Q-Sensor的谐振频率(蓝线,左Y轴)随着质量与表面结合而降低,随着囊泡破裂释放相关水而增加。耗散(红线,右Y轴)与粘弹性(柔软或刚性)有关,并最初随着囊泡完整吸附而增加,直到达到临界覆盖,囊泡破裂并形成刚性双分子层。漫画显示了一个完整的囊泡与表面接触,然后破裂形成SLB。在箭头1处引入样品,在箭头2处用缓冲液洗涤。DOPC的结构如图所示。示例QCM-D数据显示了脂质双分子层的形成,并附有相应的插图,如图所示。

  • 本例中的脂质是1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DOPC)
  • 在pH值7.4的PBS中制备0.25 mg/ml DOPC溶液,并在SiO中飞行2QSensor在25°C,流速为0.1 ml/min。
  • 7th谐波显示为清晰,箭头表示小泡被引入系统(步骤1)和当系统被缓冲冲洗(步骤2)。

囊泡破裂至脂质双分子层的“指纹”是QCM-D技术独有的

QCM-D数据在制造SLB时的关键特征是图中(B)所示的特征破裂步骤。在表面吸附的囊泡达到临界覆盖后,或当施加外部刺激时,如活性肽或渗透压的变化,随着囊泡破裂和脂质双分子层形成,囊泡内相关溶剂的质量损失,频率增加。这也是为什么耗散减少,因为吸附层正在从一个软粘弹性囊泡膜与相当多的伴生溶剂到刚性脂质双分子层很少或没有伴生溶剂。这种囊泡破裂到脂质双分子层的“指纹”是QCM-D技术所独有的,可以探测双分子层形成的机制。表面支持成分、离子强度、pH值、囊泡复杂性以及胆固醇或膜蛋白等成分可以被改变,它们对所产生的脂质双分子层形成的影响可以被探测。

研究纳米颗粒对SLB模型细胞膜的影响-五个出版物的例子

在脂质双分子层(或完整的囊泡层)制备之后,通常会有颗粒溶液从顶部飞过,所产生的信号变化与颗粒如何与膜表面相互作用相对应。颗粒类型、大小、浓度、外涂层化学、溶液离子强度、pH值和温度的影响都可以测量。许多不同的小组正在这个领域工作。下面我列出了五个不同的研究:

  1. 伍斯特理工学院的Terri Camesano团队最近发表了纳米颗粒的大小和天然有机物(NOM)的存在如何影响颗粒与脂质膜的相互作用。他们发现,缺乏NOM导致纳米颗粒与表面的相互作用非常少,但这种NOM的存在导致了显著的相互作用,在某些情况下导致了测试的最大纳米颗粒的显著膜去除。
    金纳米颗粒与负载脂质双分子层相互作用的尺寸依赖性:QCM-D研究Christina M. Bailey, Elaheh Kamaloo, Kellie L. Waterman, Kathleen F. Wang, Ramanathan Nagarajan, Terri A. Camesano生物物理化学2015203 - 204, 51 - 61。
  2. 威斯康星大学的Joel Pedersen团队最近发表了一项研究,详细介绍了有序的膜结构域(或具有相分离结构域的脂筏)如何影响带电纳米粒子的相互作用。他们发现,液态有序结构域的存在增加了正电荷粒子与底层膜之间的附着。他们甚至有自己的博客文章关于这项工作,可以找到在这里

    nanomaterial-blog-post.gif开放获取含相分离结构域的脂质双分子层的形成及其与金纳米颗粒的相互作用E. S.梅尔比等人,Environ。科学。:纳米2016, 3,45 -55。由英国皇家化学学会出版。
  3. 来自约翰霍普金斯大学的Kai Loon Chen团队最近展示了纳米颗粒的外涂层如何影响它与SLB相互作用的方式。具体来说,他们感兴趣的是包裹在人体内的银纳米颗粒的外层蛋白质层如何影响颗粒与细胞的相互作用。他们发现蛋白质层破坏了粒子和双分子层之间的静电相互作用,因此减少了整体相互作用。

    nanoparticles-outer-coating-affects-interaction.gif已获授权发布溶液化学和软蛋白冠对银纳米颗粒与模型生物膜相互作用的影响Q. Wang等,Environ。科学。抛光工艺。2016, 50(5), 2301-2309。版权所有2016年美国化学学会
  4. 来自查尔默斯理工学院的Sofia Svedhem团队最近发表了一个例子,说明某些纳米颗粒(在这种情况下是TiO2)实际上可以在钙离子存在的情况下在slb上撕开洞。一种TiO的机理2提出了颗粒-钙离子-脂质双分子层相互作用,颗粒与膜的相互作用靠近钙离子与脂质表面的离子相互作用。粒子可以然后去除双分子层的一部分,由于这种削弱的吸引力之间的双分子层和表面。


    “TiO2纳米颗粒与支持的脂质膜的相互作用——去除膜斑块的一个例子”F. Zhao等人,RSC副词.,20166, 91102 - 91110。

  5. 来自麦吉尔大学的Nathalie Tufenkji团队最近发表的研究表明,通过调整溶液化学性质来减少SLB与衬底的相互作用,如何影响纳米颗粒与所述双分子层的相互作用。这种想法是,这些自由漂浮的双分子层可能更能代表实际的细胞膜,因此这种方法可能是制造和研究纳米颗粒对细胞膜整体影响的更好方法。

    cell-membrane-interaction-with-nanoparticles.gif
    已获授权发布向更自由漂浮的模型细胞膜:方法发展和它们与纳米颗粒相互作用的应用N. Yousefi等,ACS应用。板牙。接口,2016, 8 (23), pp 14339-14348。版权所有2016年美国化学学会

在我们的应用笔记中阅读更多关于纳米材料与生物系统相互作用的评估和表征:

应用说明筛选纳米颗粒-蛋白质相互作用下载

阅读关于纳米颗粒的评论文章

探索博客

你只触及了表面。

受欢迎的

    存档

    查看所有
    Baidu
    map