迷宫赛跑者和广场舞者:哺乳动物细胞中纳米物

 行业动态     |      2020-09-15 08:22

细胞是由物质组成的复杂的,多隔室的实PCR仪体,被各种膜结合的细胞器包围,直径范围从微米(µm)到纳米级(nm)。
这些结构混合在一个拥挤的水相中,被称为
细胞质,在其中扩散偏离布朗运动了解“细胞拥挤”的概念及其对细胞内移动性的影响可以使细胞内受控扩散,从而改善药物传递和其他医学应用。真核细胞质是一种双相多孔弹性(流体和固体相互作用)介质,包含一个液相(具有水和可溶性蛋白的胞质溶胶)和一个固相(细胞骨架)。 和其他细胞器)。用示踪剂对细胞内运动进行的实验通常揭示了布朗运动和亚扩散运动(或异常扩散)。细胞质中的高浓度大分子被描述为“阻塞性分子拥挤”和生化相互作用(静电或疏水)自然会影响细胞内示踪剂的活动性。

结果,仍然没有解决一个基本问题:统一的框架能否解释在胞质扩散中观察到的行为的巨大差异?现在,弗雷德·埃托克(Fred Etoc)和他的同事在《自然材料》上发表了文章,使用荧光纳米粒子(NP)示踪剂的单粒子跟踪来观察和提出一个统一的框架,该框架描述了纳米级物体在真核细胞细胞质中的扩散动力学。

研究人员证明:

  • 惰性物体不受阻塞性分子拥挤的影响,显示布朗运动,并在低粘度介质中扩散(如果尺寸小于约75 nm)。研究人员隐喻地将它们与“迷宫赛跑者”进行了比较
  • 示踪剂的尺寸约为25 nm,但非特异性相互作用增加,将扩散速度降低了三个数量级,逐渐变得异常,并与“方形舞者”进行了比较

使用简单连续时间随机游走(CTRW)模型将非特定相互作用的强度捕获到单个参数中,该模型描述了通过扩散粒子执行的随机游走的教科书模型。通过固定随机游走的一些基本属性,可以观察到扩散粒子探索了随时间线性增长的区域(均方根位移– MSD)。为了通过实验定义细胞内运动的现象,Etoc及其同事劫持了称为pinocytosis途径的细胞进入门(观察到形成囊泡以运输生物材料),以将功能化的和荧光标记的纳米颗粒(NP)导入体内 HeLa细胞中。 通过延时显微镜记录单个NP的细胞质扩散(每个细胞20至50个NP),并使用单颗粒跟踪分析进行定量。短暂的渗透性休克使NP分散到细胞质中。NP对细胞内部基于扩散的探测通过大量的单粒子跟踪实验进行了监控。使用这种方法,可以观察到各种NP表面修饰和15至75 nm的粒径与周围环境相互作用,从而产生明显的扩散异常。在这项研究中,Etoc等人。通过计算60 ms的时间平均MSD在短时间尺度上的估计迁移率,用扩散系数D 60ms表示。为了表示每种条件下整个NP种群的行为,参数α(异常指数)和D 60ms的分布从每个单独的轨迹中产生的结果,以二维(2-D)密度图的形式呈现。这样的数百个轨迹和条件的密度图将α的结果进行了积分结果中对D和60ms进行了优雅的总结。还使用基于连续时间随机游动的最小模型解释了实验数据,其中描述了粒子在自由扩散运动的各个周期之间采取了幂律分布的休止符。通过这种方法,MSD的发现可以被复制并捕获为粒子轨迹。需要进一步的工作来探索这些结果是否也适用于细胞中1至10 nm大小的大分子人群。在修改细胞中的非平衡条件(例如改变的代谢状态)时,了解如何改变异常随机游走将使实验家和理论家都忙。

总体而言,研究人员提出了一个统一的框架来描述 细胞质中纳米物体有关扩散该研究还提供了一种定量基准测试工具,可以设计出完全惰性的NP,它们可以在不受障碍物阻碍的细胞内扩散,并将其定义为“孤独的迷宫赛跑者”。这样的见解对于设计细胞内药物传递途径以在将来轻松达到细胞内的分子靶点可能至关重要