1.5 Nanoparticle membrane interactions
Because of the wide use of nanoparticles in a variety of products, varying from drug
and gene delivery materials to consumer products like paints, it is important to understand
how these materials interact with cell membranes [115–117]. In particular,
the cytoxicity of these materials is one of the parameters that needs to be further studied,
as it can either lead to a hazardous event or be used as targeted drug delivery, for
example in cancer therapy.
There are numerous studies about the membrane internalization mechanisms and the
cytoxicity of different types of nanoparticles [118]. In a recent study, Verma et al. used
gold nanoparticles, coated with anionic and hydrophobic groups either at random
positions or at striations of alternating groups [119]. The radius of the nanoparticles
was approximately 6 nm. This study showed that the ‘striped’ nanoparticles were able
to cross the cell membrane without bilayer disruption, whereas the other nanoparticles
followed an endocytic pathway and were trapped in endosomes (Figure 1.7).
Figure 1.7: Different uptake mechanisms of nanoparticles with different coatings.
The ‘striped’ nanoparticles are able to cross the cell membrane either directly without
bilayer disruption (left) or by endocytosis (centre), whereas the other nanoparticles follow
an endocytic pathway and are mostly trapped in endosomes (right). Figure adapted from
[120]
In another study, Leroueil et al. used nanoparticles of different sizes injected onto supported
lipid bilayers [121]. They found that cationic nanoparticles with a diameter of
about 5-6 nm induced membrane disruption. Nanoparticles of a 50 nm size led to the
formation of holes in the lipid bilayers.
Recently, a study with nanoparticles with sizes ranging from 1 nm to 140 nm was carried
out by Roiter and co-workers [122]. In this work, the authors used AFM to capture
the structural differences of a lipid bilayer after interacting with silica nanoparticles of
different sizes. The results are shown in Figure 1.8. The lipid bilayer forms uniformly
in the case of nanoparticles with diameter less than 1.2 nm. For nanoparticles larger
than 1.2 nm or smaller than 22 nm thinning of the bilayer and formation of pores are
observed. For nanoparticles larger than 22 nm, with and without bumps, coverage or
incomplete coverage due to the bumps is observed. A similar study was performed
by Ahmed and Wunder [123]. In this work, nanoparticles with a diameter of 5 nm
induced the transition of the lipid bilayer from the lamellar to an interdigitated state.
Simulation studies have also been performed in the area of nanoparticle-membrane
interactions. In [124], the authors captured the formation of holes in lipid bilayers
induced by clusters of dendrimers at their surface. They used coarse-grained MD
simulations, and in particular the MARTINI force field. Water and ions could pass
through the pores which had diameters of 1-5 nm. In another study, the authors used
DPD method in a stretched bilayer and observed the formation of holes under the
dendrimer cluster as well as at other points of the bilayer [125]. In the case where
a ‘not stretched’ bilayer was used, the dendrimers seemed to diffuse in the lipid bilayer
and the clusters were deformed. Also, D’Rozario et al. performed coarse-grained
MD simulations with particles of a diameter about 1.1 nm to study the interactions of
pristine C60 and its derivatives with lipid bilayers [126]. The nanoparticles were represented
as spheres with 20 evenly spaced coarse-grained particles of different types on
their surfaces. Pristine was represented only by hydrophobic coarse-grained beads.
Its derivatives C60(OH)N, with N = 5, 10, 15 or 20, were constructed by replacing N
number of hydrophobic beads with polar ones. This replacement was either done
at a patch of the nanoparticle, or at random positions. The authors performed MD
simulations and they showed that the apolar and amphipathic fullerenes are mainly
within the lipid bilayer, with the amphipathic nanoparticles being closer to the lipid
Figure 1.8: Lipid bilayer fusion on rough surfaces. For nanoparticles larger than 1.2
nm or smaller than 22 nm the formation of pores is observed (top). The lipid bilayer has
the same topography with the nanoparticles with diameter less than 1.2 nm (centre, left).
For nanoparticles larger than 22 nm, with and without bumps, coverage (centre, right) or
incomplete coverage (bottom) due to the bumps is observed. Figure adapted from [122].
heads. PMF calculations were also carried out and were in good agreement with the
simulation observations. Recently, Li and Gu presented a simulation study of interactions
between charged nanoparticles and charge-neutral phospholipid membranes
[127]. They employed the MARTINI force field and showed that due to the increase
of the electrostatic energy, the charged nanoparticle can be partially wrapped by the
membrane.
In this study, an effort to get insights of the interaction of nanoparticles of different
sizes and surface chemistry with lipid bilayer has been made
1.5 การมีปฏิสัมพันธ์เยื่อหุ้มอนุภาคนาโนเพราะการใช้งานที่กว้างของอนุภาคนาโนในความหลากหลายของผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างจากยาเสพติดและการส่งมอบวัสดุยีนสินค้าอุปโภคบริโภคเช่นสีก็เป็นสิ่งสำคัญที่จะเข้าใจว่าวัสดุเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กับเยื่อหุ้มเซลล์[115-117] โดยเฉพาะอย่างยิ่งcytoxicity ของวัสดุเหล่านี้เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่จะต้องมีการศึกษาต่อไปในขณะที่มันสามารถนำไปสู่เหตุการณ์ที่อันตรายหรือใช้เป็นการส่งมอบยาเสพติดที่มีการกำหนดเป้าหมายสำหรับตัวอย่างเช่นในการรักษาโรคมะเร็ง. มีการศึกษามากมายเกี่ยวกับเมมเบรนที่มี กลไก internalization และcytoxicity แตกต่างกันของอนุภาคนาโน [118] ในการศึกษาล่าสุด, Verma et al, ใช้อนุภาคนาโนทองเคลือบด้วยกลุ่มประจุลบและไม่ชอบน้ำอย่างใดอย่างหนึ่งที่สุ่มตำแหน่งหรือเนื้อเยื่อของกลุ่มสลับ[119] รัศมีของอนุภาคนาโนที่ประมาณ 6 นาโนเมตร การศึกษาครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าอนุภาคนาโน 'ลาย' มีความสามารถที่จะข้ามเยื่อหุ้มเซลล์โดยไม่ต้องหยุดชะงักbilayer ในขณะที่อนุภาคนาโนอื่น ๆตามทางเดิน endocytic และถูกขังอยู่ใน endosomes (รูปที่ 1.7). รูปที่ 1.7: กลไกการดูดซึมที่แตกต่างกันของอนุภาคนาโนที่มีการเคลือบที่แตกต่างกันอนุภาคนาโน 'ลาย' สามารถที่จะข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งโดยตรงโดยไม่ต้องbilayer หยุดชะงัก (ซ้าย) หรือโดยการ endocytosis (กลาง) ในขณะที่อนุภาคนาโนอื่น ๆ ตามทางเดินendocytic และถูกขังอยู่ส่วนใหญ่ใน endosomes (ขวา) รูปที่ดัดแปลงมาจาก[120] ในการศึกษาอื่น Leroueil et al, อนุภาคนาโนที่ใช้ขนาดแตกต่างกันฉีดลงบนสนับสนุนbilayers ไขมัน [121] พวกเขาพบว่าอนุภาคนาโนประจุบวกที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของประมาณ 5-6 นาโนเมตรเหนี่ยวนำให้เกิดการหยุดชะงักเมมเบรน อนุภาคนาโนที่มีขนาด 50 นาโนเมตรจะนำไปสู่การก่อตัวของหลุมในbilayers ไขมัน. เมื่อเร็ว ๆ นี้การศึกษาที่มีอนุภาคนาโนที่มีขนาดตั้งแต่ 1 ถึง 140 นาโนเมตรนาโนเมตรได้ดำเนินการโดยRoiter และเพื่อนร่วมงาน [122] ในงานนี้ผู้เขียนใช้ AFM จะจับความแตกต่างของโครงสร้างของไขมันbilayer หลังจากที่มีปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคนาโนซิลิกาขนาดแตกต่างกัน ผลลัพธ์ที่ได้จะแสดงในรูปที่ 1.8 รูปแบบไขมัน bilayer เหมือนกันในกรณีของอนุภาคนาโนที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า1.2 นาโนเมตร สำหรับอนุภาคนาโนที่มีขนาดใหญ่กว่า 1.2 นาโนเมตรหรือขนาดเล็กกว่า 22 นาโนเมตรทำให้ผอมบางของ bilayer และการก่อตัวของรูขุมขนจะถูกตั้งข้อสังเกต สำหรับอนุภาคนาโนมีขนาดใหญ่กว่า 22 นาโนเมตรที่มีและไม่มีการกระแทกคุ้มครองหรือความคุ้มครองที่ไม่สมบูรณ์เนื่องจากการกระแทกเป็นที่สังเกต การศึกษาที่คล้ายกันดำเนินการโดยอาเหม็ดและ Wunder [123] ในงานนี้อนุภาคนาโนที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 5 นาโนเมตรเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของไขมันbilayer จาก lamellar ไปยังรัฐ interdigitated. การศึกษาการจำลองยังได้รับการดำเนินการในพื้นที่ของอนุภาคนาโนเมมเบรนมีปฏิสัมพันธ์ ใน [124] ผู้เขียนจับการก่อตัวของหลุมใน bilayers ไขมันที่เกิดจากกลุ่มของdendrimers ที่พื้นผิวของพวกเขา พวกเขาใช้ MD เนื้อหยาบจำลองและโดยเฉพาะอย่างยิ่งสนามพลังมาร์ตินี่ น้ำและอิออนสามารถผ่านผ่านรูขุมขนที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1-5 นาโนเมตร ในการศึกษาอื่นผู้เขียนใช้วิธี DPD ใน bilayer ยืดและสังเกตเห็นการก่อตัวของหลุมที่อยู่ภายใต้กลุ่มdendrimer เช่นเดียวกับที่จุดอื่น ๆ ที่ bilayer ส่วน [125] ในกรณีที่ว่า 'ไม่ยืด' bilayer ถูกนำมาใช้ใน dendrimers ดูเหมือนจะกระจายในไขมัน bilayer และกลุ่มที่ถูกพิการ นอกจากนี้ D'Rozario et al, ดำเนินเนื้อหยาบจำลอง MD ที่มีอนุภาคของขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1.1 นาโนเมตรเพื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ของ C60 ที่เก่าแก่และสัญญาซื้อขายล่วงหน้าที่มีไขมัน bilayers [126] อนุภาคนาโนเป็นตัวแทนเป็นทรงกลมที่มี 20 เว้นระยะเท่ากันอนุภาคเนื้อหยาบประเภทแตกต่างกันบนพื้นผิวของพวกเขา ที่เก่าแก่เป็นตัวแทนโดยเฉพาะเม็ดเนื้อหยาบไม่ชอบน้ำ. สัญญาซื้อขายล่วงหน้าของ C60 (OH) N, N = กับ 5, 10, 15 หรือ 20 ถูกสร้างขึ้นโดยการเปลี่ยนยังไม่มีตัวเลขของเม็ดน้ำกับคนที่ขั้วโลก การเปลี่ยนนี้ทำอย่างใดอย่างหนึ่งที่แพทช์ของอนุภาคนาโนหรือที่ตำแหน่งสุ่ม ผู้เขียนดำเนิน MD จำลองและพวกเขาแสดงให้เห็นว่า apolar และ amphipathic ฟูลเลอรีส่วนใหญ่จะเป็นภายในไขมันbilayer ด้วยอนุภาคนาโน amphipathic เป็นใกล้ชิดกับไขมันรูปที่1.8: ฟิวชั่น bilayer ไขมันบนพื้นผิวที่หยาบกร้าน สำหรับอนุภาคนาโนมีขนาดใหญ่กว่า 1.2 นาโนเมตรหรือขนาดเล็กกว่า 22 นาโนเมตรก่อตัวของรูขุมขนเป็นที่สังเกต (บน) ไขมัน bilayer มีภูมิประเทศเช่นเดียวกันกับอนุภาคนาโนที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า1.2 นาโนเมตร (กลางซ้าย). สำหรับอนุภาคนาโนมีขนาดใหญ่กว่า 22 นาโนเมตรที่มีและไม่มีการกระแทกคุ้มครอง (กลางขวา) หรือความคุ้มครองที่ไม่สมบูรณ์(ล่าง) เนื่องจากการกระแทก เป็นที่สังเกต รูปที่ดัดแปลงมาจาก [122]. หัว คำนวณ PMF ได้ดำเนินการยังออกมาและอยู่ในข้อตกลงที่ดีกับการสังเกตการจำลอง เมื่อเร็ว ๆ นี้และหลี่ Gu นำเสนอผลการศึกษาแบบจำลองของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคนาโนเรียกเก็บและเยื่อเรียมค่าใช้จ่ายที่เป็นกลาง[127] พวกเขามีงานทำสนามพลังมาร์ตินี่และแสดงให้เห็นว่าเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของพลังงานไฟฟ้าสถิตที่อนุภาคนาโนค่าใช้จ่ายสามารถห่อบางส่วนโดยเมมเบรน. ในการศึกษานี้พยายามที่จะได้รับข้อมูลเชิงลึกของการทำงานร่วมกันของอนุภาคนาโนที่แตกต่างกันที่ขนาดและคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิวด้วยไขมัน bilayer ได้รับการทำ
การแปล กรุณารอสักครู่..

1.5 สำหรับเมมเบรนปฏิสัมพันธ์
เพราะกว้างใช้นาโนในความหลากหลายของผลิตภัณฑ์และวัสดุที่แตกต่างจากยา
ส่งยีนผลิตภัณฑ์เพื่อผู้บริโภคเช่นสี , มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะเข้าใจ
ว่าวัสดุเหล่านี้โต้ตอบกับเยื่อหุ้มเซลล์ [ 115 - 117 ] โดยเฉพาะ
cytoxicity วัสดุเหล่านี้เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่ต้องเพิ่มเติมศึกษา
มันสามารถนำไปสู่เหตุการณ์อันตราย หรือใช้เป็นเป้าหมายการส่งยา ,
ตัวอย่างในการรักษาโรคมะเร็ง มีการศึกษามากมายเกี่ยวกับเยื่อ internalization กลไกและ
cytoxicity ของประเภทที่แตกต่างกันของอนุภาคนาโน [ 118 ] ในการศึกษาล่าสุด verma et al . ใช้
อนุภาคทองระดับนาโนเมตร เคลือบ ด้วยประจุลบ ) ทั้งกลุ่มและสุ่ม
ตำแหน่งที่ striations หรือสลับกลุ่ม [ 119 ] รัศมีของอนุภาคนาโน
ประมาณ 6 นาโนเมตร การศึกษานี้พบว่าอนุภาคนาโนสามารถ ' ลาย '
ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์โดยไม่หยุดชะงักสองชั้น ส่วนอนุภาคอื่น ๆตามทางเดิน endocytic
และติดอยู่ใน endosomes ( รูปที่ 1.7 ) .
รูปที่ 1.7 :การใช้กลไกที่แตกต่างกันของอนุภาคนาโนที่เคลือบด้วย .
' ลาย ' อนุภาคนาโนจะสามารถข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ทั้งโดยตรงโดย
หยุดชะงักสองชั้น ( ซ้าย ) หรือเอนโดไซโทซิส ( ศูนย์ ) และอนุภาคอื่น ๆตามทางเดิน endocytic
เป็นและส่วนใหญ่จะติดอยู่ใน endosomes ( ขวา ) รูปที่ดัดแปลงมาจาก
[ ]
120 อีกการศึกษา leroueil et al .ใช้อนุภาคนาโนที่มีขนาดแตกต่างกัน ฉีดลงบนการสนับสนุน
ไขมันสองชั้น [ 121 ] พวกเขาพบว่า อนุภาคประจุบวก มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 5-6 nm เกิดขัดข้อง
เมมเบรน อนุภาคนาโนที่มีขนาด 50 nm ที่นำไปสู่การก่อตัวของหลุมในไขมัน
ผักหนอง . เมื่อเร็ว ๆนี้การศึกษาด้วยอนุภาคนาโนที่มีขนาดตั้งแต่ 1 nm 140 nm ดำเนินการ
โดย roiter และเพื่อนร่วมงาน [ 122 ]ในงานนี้ ผู้เขียนใช้ AFM จับ
ความแตกต่างทางโครงสร้างของไขมัน bilayer หลังจากการโต้ตอบกับอนุภาคนาโนซิลิกาของ
ขนาดแตกต่างกัน ผลลัพธ์ที่ได้จะแสดงในรูปที่ 1.8 bilayer ไขมันรูปแบบเหมือนกัน
ในกรณีของอนุภาคที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 1.2 nm . สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่
กว่า 1.2 นาโนเมตรหรือน้อยกว่า 22 nm thinning สองชั้นและสร้างรู
สังเกต สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่กว่า 22 nm ที่มีและไม่มีการกระแทก ครอบคลุมหรือ
ครอบคลุมสมบูรณ์ เนื่องจากการกระแทก เป็นที่สังเกต การศึกษาที่คล้ายกันดำเนินการ
โดย Ahmed และวันเดอร์ [ 123 ] ในงานนี้ อนุภาคนาโนที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 5 nm
ที่เกิดการเปลี่ยนแปลงของ bilayer ไขมันจากการไหลของแก๊ส
สภาพการท .ผลการศึกษาได้ดำเนินการในพื้นที่ของอนุภาคนาโนเมมเบรน
การโต้ตอบ ใน [ 124 ] ผู้เขียนจับการก่อตัวของหลุมในไขมันสองชั้น
เกิดจากกลุ่มของเดนไดรเมอร์ที่ผิวของพวกเขา พวกเขาใช้ที่มีเนื้อหยาบแบบ MD
, และโดยเฉพาะ มาร์ตินี่บังคับสนาม น้ำและไอออนสามารถผ่าน
ผ่านรู ซึ่งมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-5 นาโนเมตร ในการศึกษาอื่นผู้เขียนใช้วิธียืด
DPD ในสองชั้นและสังเกตรูปแบบของหลุมใต้
เดนดริเมอร์กลุ่มเช่นเดียวกับจุดสองชั้น [ 125 ] อื่น ๆ ในกรณีที่
' ไม่ยืด ' สองชั้นถูกใช้ เดนไดรเมอร์ดูเหมือนจะกระจายใน bilayer ไขมัน
และกลุ่มเป็นพิการ นอกจากนี้ d'rozario et al . ที่มีเนื้อหยาบ
แสดงMD จำลองด้วยอนุภาคของเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1.1 nm เพื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ของ
C60 เก่าแก่และอนุพันธ์ของลิพิดสองชั้น [ 126 ] โดยอนุภาคนาโนแทน
เป็นทรงกลม มี 20 เว้นระยะเท่ากันที่มีเนื้อหยาบอนุภาคของประเภทที่แตกต่างกันบน
พื้นผิวของพวกเขา . ล้วนถูกแทนโดยเฉพาะ ) ที่มีเนื้อหยาบ ลูกปัด .
อนุพันธ์ C60 ( OH ) n , n = 5 , 10 , 15 หรือ 20ถูกสร้างขึ้นโดยการแทนที่ N
จำนวนลูกปัด ) กับขั้วที่ เปลี่ยนเป็นให้ทำ
ที่แพทช์ของอนุภาคนาโน หรือที่ตำแหน่งสุ่ม ผู้เขียนได้ทำการจำลอง MD
และพวกเขาพบว่า apolar ฟูลเลอรีน และแอมฟิพาติกส่วนใหญ่
ภายใน bilayer ไขมันกับแอมฟิพาติกนาโนเป็นใกล้ชิดกับไขมัน
รูปที่ 2 :ฟิวชั่น bilayer ไขมันบนพื้นผิวที่ขรุขระ สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่กว่า 1.2
นาโนเมตรหรือน้อยกว่า 22 nm การก่อตัวของรูเป็นที่สังเกต ( ด้านบน ) bilayer ไขมันได้
ภูมิประเทศเดียวกันกับอนุภาคนาโนที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 1.2 nm ( กลางซ้าย ) .
สำหรับอนุภาคขนาดใหญ่กว่า 22 nm ที่มีและไม่มีการกระแทก ครอบคลุม ( กลางขวา ) หรือ
ครอบคลุมไม่สมบูรณ์ ( ล่าง ) เนื่องจากการกระแทก เป็นที่สังเกต รูปที่ดัดแปลงมาจาก [ 122 ] .
หัว การคำนวณระบบและยังดำเนินการอยู่ในข้อตกลงกับ
ตัวอย่างจำลอง เมื่อเร็วๆ นี้ และกูเสนอการจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคประจุเป็นกลางค่า
และฟอสโฟลิปิดหุ้ม [ 127 ]พวกเขาใช้สนามพลัง มาตินี่ และพบว่าเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของพลังงาน
ไฟฟ้าสถิต ประจุอนุภาคนาโนสามารถนำห่อด้วย
เมมเบรน ในการศึกษานี้ ความพยายามที่จะได้รับข้อมูลเชิงลึกของการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่มีขนาดแตกต่างกัน
และพื้นผิวทางเคมี bilayer ไขมันได้ด้วย
การแปล กรุณารอสักครู่..
