Взаимодействие наночастиц с биологическими объектами (Обзор)

УДК 61:57; 61:577.3; 61:577.1; 576.6; 576.33

DOI: 10.22138/2500-0918-2016-15-3-97-111

А.П. Сарапульцев, С.В. Ремпель, Ю.В. Кузнецова, Г.П. Сарапульцев

Институт иммунологии и физиологии УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,г. Екатеринбург, Российская Федерация;
Институт химии твердого тела УрО РАН, г. Екатеринбург, Российская Федерация

Резюме.
В обзоре рассмотрены основные аспекты строения и свойств наночастиц, определяющие особенности их взаимодействия с биологическими объектами. Особое внимание уделено механизмам энергозависимого, в том числе, рецептор-опосредованного эндоцитоза. Описаны основные параметры, определяющие их биологическое (токсическое) действие.

Ключевые слова:
наноматериалы, квантовые точки, наночастицы, биология, токсикология, мембраны, медицина, эндоцитоз

ЛИТЕРАТУРА
1. Shang L., Nienhaus K., Jiang X., Yang L., Landfester K., Mailander V., … & Nienhaus G.U. Nanoparticle interactions with live cells: Quantitative fluorescence microscopy of nanoparticle size effects // Beilstein journal of nanotechnology. 2014. 5(1). P. 2388-2397.
2. Mahmoudi, M., Meng J., Xue X., Liang X.J., Rahman M., Pfeiffer C., … & Tamil Selvan S. Interaction of stable colloidal nanoparticles with cellular membranes // Biotechnology advances. 2014. 32(4). P. 679-692.
3. Nazarenus M., Zhang Q., Soliman M.G., del Pino P., Pelaz B., Carregal-Romero, S., … & Parak W.J. In vitro interaction of colloidal nanoparticles with mammalian cells: What have we learned thus far? // Beilstein journal of nanotechnology. 2014. 5(1). P.1477-1490.
4. Lesniak A., Salvati A., Santos-Martinez M.J., Radomski M.W., Dawson K.A., & Aberg C. Nanoparticle adhesion to the cell membrane and its effect on nanoparticle uptake efficiency // Journal of the American Chemical Society. 2013.135(4). P. 1438-1444.
5. Saptarshi S.R., Duschl A., Lopata A.L. Interaction of nanoparticles with proteins: relation to bio-reactivity of the nanoparticle // J Nanobiotechnol. 2013. 11(1). P. 26.
6. Егорова Е.М. Биологические эффекты наночастиц металлов: монография / Е. М. Егорова, А. А. Кубатиев, В. И. Швец. М.: Наука, 2014. 350 с. ISBN 978-5-02-039036-2.
7. Auffan M., Rose J., Bottero J-Y., Lowry G.V., Jolivet J-P., Wiesner M.R. Towards a definition of inorganic nanoparticles from an environmental, health and safety perspective // Nat Nanotechnol. 2009. 4. P. 634-641.
8. Antony A.C. Folate receptors // Annual review of nutrition. 1996. 16(1), P. 501-521.
9. Ahrens E.T., Feili-Hariri M., Xu H., Genove G., Morel P.A. Receptor-mediated endocytosis of iron-oxide particles provides efficient labeling of dendritic cells for in vivo MR imaging //Magnetic resonance in medicine. 2003. V.49. №. 6. P.1006-1013.
10. Alivisatos A.P. Semiconductor clusters, nanocrystals, and quantum dots // Science. 1996. 271 (5251). P. 933-937.
11. Gusev A.I., Rempel A.A. Nanocrystalline Materials. — Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. 351 p.
12. Ремпель С.В., Кожевникова Н.С., Александрова Н.Н., Ремпель А.А. Флуоресцентные наночастицы СdS для биологии и медицины // Доклады Академии наук. 2011. Т. 440. № 1. С. 56-58
13. Ремпель С.В., Кожевникова Н.С., Александрова Н.Н., Ремпель А.А., Флуоресцентные наночастицы CdS для визуализации структуры клеток // Неорганические материалы. 2011. Т. 47. № 3. С. 271-275.
14. Mahmoudi, M., Meng J., Xue X., Liang X.J., Rahman M., Pfeiffer C., … & Tamil Selvan S. Interaction of stable colloidal nanoparticles with cellular membranes // Biotechnology advances. 2014. 32(4). P. 679-692.
15. Pelley J.L., Daar A.S., Saner M.A. (2009). State of academic knowledge on toxicity and biological fate of quantum dots // Toxicological Sciences. 2009. 112(2). P. 276-296.
16. Chithrani B.D., Chan W.C. Elucidating the mechanism of cellular uptake and removal of protein-coated gold nanoparticles of different sizes and shapes // Nano letters. 2007. 7(6). P. 1542-1550.
17. Oberdorster G., Sharp Z., Atudorei V., Elder A., Gelein R., Kreyling W., Cox C. Translocation of inhaled ultrafine particles to the brain // Inhalation toxicology 2004. 16(6-7). P. 437-445.
18. Shang L., Nienhaus K., Jiang X., Yang L., Landfester K., Mailander V., … & Nienhaus G.U. Nanoparticle interactions with live cells: Quantitative fluorescence microscopy of nanoparticle size effects // Beilstein journal of nanotechnology. 2014. 5(1). P. 2388-2397.
19. Conner S.D., Schmid S.L. Regulated portals of entry into the cell // Nature. 2003. 422(6927). P. 37-44.
20. Doherty G.J., McMahon H.T. Mechanisms of endocytosis // Annual review of biochemistry. 2009. 78. P. 857-902.
21. Хайтлина С.Ю. Внутриклеточный транспорт, основанный на полимеризации актина. Обзор // Биохимия. 2014. 9. С.1135-1147.
22. Минаева О.В., Куликов О.А., Фирстов С.А., Дедкова М.И. Исследование фагоцитоза различных типов наночастиц ферромагнетиков лейкоцитами человека // Здоровье и образование в XXI веке. 2014. 16(4). С.4-6.
23. Bartneck M., Keul H.A., Zwadlo-Klarwasser G., Groll J. Phagocytosis independent extracellular nanoparticle clearance by human immune cells // Nano letters. 2009. 10(1). P. 59-63.
24. Rodriguez P.L., Harada T., Discher D.E. Inhibition of phagocytosis using nanoparticles coated with a marker of'‘self’'. The FASEB Journal. 2011. 25(1_MeetingAbstracts), 759-5.
25. Mercanti V., Charette S.J., Bennett N., Ryckewaert J.J., Letourneur F., Cosson P. Selective membrane exclusion in phagocytic and macropinocytic cups // Journal of cell science. 2006. 119(19). P. 4079-4087

26. Kumari S., Swetha M.G., Mayor S. (2010). Endocytosis unplugged: multiple ways to enter the cell // Cell research. 2010. 20(3). P. 256-275.
27. Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. Molecular Biology of the Cell, 5th edition. New York: Garland Science; 2002. ISBN-10: 0-8153-3218-1.
28. Rappoport J. Focusing on clathrin-mediated endocytosis // Biochem. J. 2008. 412. P. 415-423.
29. Sowa G. (2011). Caveolae, caveolins, cavins, and endothelial cell function: new insights // Frontiers in physiology. 2011. 2. doi: 10.3389/fphys.2011.00120.
30. Yamane K., Kataoka S., Le N.A., Paidi M., Howard W.J., Hannah J.S., Howard B. V. Binding affinity and particle size of LDL in subjects with moderate hypercholesterolemia: relationship with in vivo LDL metabolism // Journal of lipid research. 1996. 37(8). P. 1646-1654.
31. von Hahn T., Lindenbach B.D., Boullier A., Quehenberger O., Paulson M., Rice C.M., McKeating J.A. Oxidized low-density lipoprotein inhibits hepatitis C virus cell entry in human hepatoma cells // Hepatology. 2006. 43(5). P. 932-942.
32. Hennig R., Pollinger K., Veser A., Breunig M., Goepferich A. Nanoparticle multivalency counterbalances the ligand affinity loss upon PEGylation // Journal of Controlled Release. 2014. 194. P. 20-27.
33. Brown D., London E. Structure and function of sphingolipid- and cholesterol-rich membrane rafts // J. Biol. Chem. 2000. 275 (23). P. 17221-17224.
34. Zhang L.W., Monteiro-Riviere N.A. Mechanisms of quantum dot nanoparticle cellular uptake. Toxicological Sciences. 2009. 110(1). P. 138-155.
35. Saftig P., Klumperman J. Lysosome biogenesis and lysosomal membrane proteins: trafficking meets function // Nature reviews Molecular cell biology. 2009. 10(9). P. 623-635.
36. Rivera-Gil P., De Koker S., De Geest B.G., Parak W.J. Intracellular processing of proteins mediated by biodegradable polyelectrolyte capsules. Nano letters. 2009. 9(12). P. 4398-4402.
37. Wang T., Bai J., Jiang X., Nienhaus G.U. Cellular uptake of nanoparticles by membrane penetration: a study combining confocal microscopy with FTIR spectroelectrochemistry // ACS Nano. 2012. 6(2). P. 1251-1259.
38. Oh E., Delehanty J.B., Sapsford K.E., Susumu K., Goswami R., Blanco-Canosa J. B., … & Medintz I.L. Cellular uptake and fate of PEGylated gold nanoparticles is dependent on both cell-penetration peptides and particle size // Acs Nano. 2011. 5(8). P. 6434-6448.
39. Rimai D.S., Quesnel D.J., Busnaina A.A. The adhesion of dry particles in the nanometer to micrometer-size range // Colloids and surfaces A: Physicochemical and engineering aspects. 2000. 165(1). P. 3-10.
40. Joseph D., Tyagi N., Geckeler C., Geckeler K.E. Protein-coated pH-responsive gold nanoparticles: Microwave-assisted synthesis and surface charge-dependent anticancer activity // Beilstein journal of nanotechnology. 2014. 5(1). P. 1452-1462.
41. Calatayud M.P, Sanz B., Raffa V., Riggio C., Ibarra M.R., Goya G.F. The effect of surface charge of functionalized Fe3O4 nanoparticles on protein adsorption and cell uptake // Biomaterials. 2014. 35(24). P. 6389-99.
42. Nangia, S., & Sureshkumar, R. (2012). Effects of nanoparticle charge and shape anisotropy on translocation through cell membranes. Langmuir, 28(51), 17666-17671.
43. Yang K, Ma Y-Q. Computer simulation of the translocation of nanoparticles with differentshapes across a lipid bilayer. Nat. Nanotechnol. 2010;5:579.
44. Zhang A., Guan Y., Xu L.X. Theoretical study on temperature dependence of cellular uptake of QDs nanoparticles // Journal of biomechanical engineering. 2011. 133(12). P. 124502.
45. Kaplan J. Cell contact induces an increase in pinocytotic rate in cultured epithelial cells. Nature. 1976. 263(5578). P. 596-597.
46. Oztan A., Silvis M., Weisz O.A., Bradbury N.A., Hsu S.C., Goldenring J.R., … & Apodaca G. Exocyst requirement for endocytic traffic directed toward the apical and basolateral poles of polarized MDCK cells // Molecular biology of the cell. 2007. 18(10). P. 3978-3992.
47. Laurent S., Burtea C., Thirifays C., Rezaee F., Mahmoudi M. Significance of cell “observer” and protein source in nanobiosciences // J. Colloid Interface Sci. 2013. 392. P. 431–45.
48. Kim J.A., Aberg C., Salvati A., Dawson K.A. Role of cell cycle on the cellular uptake and dilution of nanoparticles in a cell population // Nature nanotechnology. 2012. 7(1). P. 62-68.
49. Krug H.F., Wick P. Nanotoxicology: an interdisciplinary challenge // Angew. Chem. Int. Ed. 2011. 50. P. 1260–78.
50. Qu G., Wang X., Wang Z., Liu S., Jiang G. Cytotoxicity of quantum dots and graphene oxide to erythroid cells and macrophages // Nanoscale Res Lett. 2013. 8(1). P. 198.
51. Choi H.S., Liu W., Misra P., Tanaka E., Zimmer J.P., Itty Ipe B., Bawendi M.G., Frangioni J.V. Renal clearance of quantum dots // Nat Biotechnol. 25(10). P. 1165–70.
52. Oberdorster G., Oberdorster E., Oberdorster J. Nanotoxicology: an emerging discipline evolving from studies of ultrafine particles // Environmental health perspectives. 2005. 13(7). P. 823-839.
53. Karlsson H.L., Cronholm P., Gustafsson J., Moller L. Copper Oxide Nanoparticles Are Highly Toxic: A Comparison between Metal Oxide Nanoparticles and Carbon Nanotubes // Chem. Res. Toxicol. 2008. 21. P. 1726–1732.
54. Pan Y., Neuss S., Leifert A., Fischler M., Wen F., Simon U., … & Jahnen-Dechent W. Size-dependent cytotoxicity of gold nanoparticles // Small. 2007. 3(11). P. 1941-1949.
55. Munoz Javier, A., Kreft, O., Piera Alberola, A., Kirchner, C., Zebli, B., Susha, A. S., … & Radler, J. Combined atomic force microscopy and optical microscopy measurements as a method to investigate particle uptake by cells // Small. 2006. 2(3). P. 394-400.
56. Gu Y, Sun W, Wang G, Fang N. Single particle orientation and rotation tracking discloses distinctive rotational dynamics of drug delivery vectors on live cell membranes. J.Am. Chem. Soc. 2011;133:5720–3.
57. Arvizo R.R., Miranda O.R., Thompson M.A., Pabelick C.M., Bhattacharya R., Robertson J.D., … & Mukherjee P. Effect of nanoparticle surface charge at the plasma membrane and beyond // Nano letters. 2010. 10(7). P. 2543-2548.
58. Brun E., Sicard–Roselli C. «Could nanoparticle corona characterization help for biological consequence prediction?.» // Cancer nanotechnology. 2014. 5(1). P. 1-13.
59. Caballero-Diaz E., Pfeiffer C., Kastl L., Rivera-Gil. P., Simonet B., Valcarcel M., Jimenez-Lamana J., Laborda F., Parak W.J. The Toxicity of Silver Nanoparticles Depends on Their Uptake by Cells and Thus on Their Surface Chemistry // Part. Part. Syst. Charact. 2013. 30(12). P. 1079–1085

Авторы
Сарапульцев Алексей Петрович
Институт иммунологии и физиологии УрО РАН
Российская Федерация, 620049, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 106
Кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник
a.sarapultsev@gmail.com

Ремпель Светлана Васильевна
Институт химии твердого тела УрО РАН,
доцент, кандидат физико-математических наук
Российская Федерация, 620990, Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
Svetlana_rempel@ihim.uran.ru

Кузнецова Юлия Викторовна
Институт химии твердого тела УрО РАН,
Российская Федерация, 620990, Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
Аспирант
jukuznetsova@mail.ru

Сарапульцев Герман Петрович
Институт иммунологии и физиологии УрО РАН
Российская Федерация, 620049, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 106
младший научный сотрудник.
dr.sarapultsev@gmail.com

Дата поступления 04.03.2016

Образец цитирования: Сарапульцев А.П., Ремпель С.В., Кузнецова Ю.В., Сарапульцев Г.П. Взаимодействие наночастиц с биологическими объектами (обзор). Вестник уральской медицинской академической науки. 2016, №3, с. 97–111, DOI: 10.22138/2500-0918-2016-15-3-97-111