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AFM在检测颗粒与细胞之间相互作用中的应用

栏目:行业新闻 发布时间:2022-08-26

近年来,纳微颗粒凭借其特殊的尺寸效应和物理化学性质,在医药、物理、光学和电学等领域应用越来越广泛,尤其是在生物医药领域,纳微颗粒被广泛用作缓释制剂、靶向制剂和疫苗佐剂等。颗粒在体内输运过程中,其与体内细胞接触并相互作用,相关研究表明这种相互作用会对细胞的生长、迁移和细胞因子的分泌等生理过程产生重要影响,从而调控颗粒携带的生物药剂的药效发挥、靶向性以及颗粒的佐剂免疫效果等。因此,研究颗粒与细胞的相互作用对于促进纳微颗粒在生物医药领域的应用有着重要的意义。

已有研究表明,颗粒与细胞的相互作用与颗粒的理化性质密切相关,颗粒的粒径、表面性质、形状等都会影响其与细胞的作用过程,并且随着微纳米制造技术的发展,定向调控颗粒的理化性质成为可能。为了系统深入地研究颗粒与细胞的相互作用,定量检测作用过程的重要参数和阐明其微观作用机制,近年来发明和改进了许多先进的检测设备和技术,例如光镊、磁镊和原子力显微镜等。其中,原子力显微镜(atomicforcemicroscopy,AFM)由于具有高灵敏度(皮牛级)、高分辨率(纳米级)以及可在生理环境中进行实时检测等优势备受关注。虽然有研究报道原子力显微镜在生物医药中的应用,但对于原子力显微镜检测颗粒与细胞相互作用的文献综述却很少,因此,本文中笔者系统阐述AFM在研究颗粒与细胞相互作用的原理及应用,以期为后续的研究提供参考。AFM可以在真空、大气或者溶液环境中操作,检测对象可以是导体、半导体或者绝缘体,克服了之前扫描隧道显微镜只能对导电样品表面进行检测的局限。

颗粒与细胞的相互作用会受到颗粒理化性质的影响,包括颗粒的大小、形状、表面电荷和官能团等,利用颗粒制备技术,比如物理性质优化、化学修饰或者生物合成等,可以制备需要的颗粒,从而满足其在生物医药领域的应用。利用AFM检测颗粒与细胞之间的相互作用,获得相应的力学性能,这些力学性能和体系中的生理现象相结合有助于解释颗粒在生物医药领域应用,如药物递送、免疫响应和细胞力学等涉及深层次的作用机制,包括颗粒进入体内后,影响其作为药物递送系统靶向性、高效性的因素和对细胞毒性的影响;颗粒与免疫细胞相互作用从而介导炎症反应的机制以及作为疫苗佐剂的免疫响应机制;颗粒与细胞相互作用对细胞结构以及力学性能的影响等。

随着生物技术的发展,越来越多的生物药物得到发明和开发,例如,蛋白质、多肽、抗体和核酸等。然而生物药物存在体内易降解、半衰期短、患者必须接受频繁注射、血药浓度波动大、药效不理想或产生毒副作用等问题,特别是抗肿瘤药物存在瘤内渗透困难和细胞摄取不足的难题,这些都会导致实际治疗效果不佳。为了提高生物药物的利用率、靶向性并减少毒副作用,研究者们进行了大量药物递送系统的研究工作。药物递送最基本的原则是直接将药物输送到目标组织或细胞以获得最好的治疗效果和最小的毒性影响,而阻碍治疗效果的原因主要是药物递送系统与各种生理和病理环境的复杂相互作用。生物纳米技术的应用使得纳微级颗粒的药物递送系统得以快速发展并备受关注,这些载体可包裹靶向细胞或组织的表面受体的成分,并具有膜内外运输的能力。

药物递送到指定位置时首先是载体颗粒与生物膜接触发生相互作用,如果要将更多的药物递送到靶向细胞,那么载体与细胞膜之间强烈的相互作用可能会引起细胞膜的不稳定,从而产生细胞毒性。AFM成像能在时空尺度上对细胞膜接触药物分子、纳米颗粒或药物复合物后产生的结构变化和膜重组过程进行监测。Banaszak研究组的Hong等、Leroueil等利用AFM成像揭示了具有氨基末端的聚酰胺(PAMAM)聚合物与细胞膜相互作用对细胞膜的影响,研究发现,带正电的PAMAM会引起细胞膜的无序排列,在磷脂双分子层区域形成直径约30nm的孔,且会使膜变薄甚至发生膜扰动,而在这些无序排列的部位发现了药物递送系统的聚集,然而不带电的颗粒却不会产生这些变化。通过胶体探针AFM,可以检测影响药物递送系统与细胞作用的各种影响因素,比如细胞、颗粒的性质和生理环境等。Pyo等利用AFM研究了不同的细胞及细胞培养密度对纳米硅药物递送系统与细胞相互作用的影响,结果显示不同的细胞培养密度以及细胞表面的褶皱形貌都会对相互作用产生影响。Shinto等利用胶体探针研究了不同条件下聚乳酸微球(PLLA)与小鼠黑色素瘤细胞的相互作用,研究表明,微球表面包裹了羟磷灰石(HAp)纳米颗粒后,相较于光滑的PLLA颗粒,其与细胞的黏附力增大,并且在有血清的环境中比在无血清环境中黏附力也会增大,这可能是由于HAp/PLLA颗粒表面呈正电并会吸附较多血清中黏附蛋白的原因。Pyrgiotakis等研究了功能化的纳米颗粒CeO2和Fe2O3在不同的生理环境中与肺的上皮细胞之间的相互作用,结果表明,它们之间的相互作用力很大程度上依赖于生理环境,在生理液中蛋白冠的存在减弱了颗粒与细胞之间的相互作用,另外,这种作用也受颗粒大小和材质的影响。

上述研究表明:要减少药物递送系统对正常细胞的毒性并且提高对于靶向细胞的靶向效率,其理化性质以及所处的生理环境等都会产生重要的影响。因此,构建高效安全的药物递送系统,需要评价各种因素,从而进行筛选。传统的筛选方法费时费力,而利用AFM测量药物递送系统与细胞之间的相互作用,通过测量黏附力,可以快速准确地评价各因素对相互作用的影响,这为设计和制备更加高效安全的药物递送系统提供了直观准确的理论依据。