Влияние ионов кальция на физико-химические свойства полупроводниковых квантовых точек, инкапсулированных амфифильным полимером, и эффективность их поглощения клетками
Аннотация
Исследовано влияние ионов кальция на физико-химические свойства и взаимодействие с клетками квантовых точек CdSe/ZnS, инкапсулированных производными амфифильного полимера поли(малеиновый ангидридальт-1-тетрадецен), модифицированного четвертичными аммонийными группами. Квантовые точки, несущие в полимерной оболочке отрицательно заряженные карбоксильные группы, изменяют свои физико-химические и оптические характеристики в присутствии ионов Са2+ и Ba2+. Эти эффекты становятся менее выраженными при частичной замене и совсем исчезают при полной замене отрицательно заряженных карбоксильных групп на положительно заряженные четвертичные аммонийные группы. Изменение физико-химических свойств квантовых точек приводит к изменению их взаимодействия с клетками в присутствии ионов кальция. Отрицательно заряженные квантовые точки, несущие в оболочке только карбоксильные группы, в присутствии Ca2+ агломерируют и образуют конгломераты из наночастиц и клеток. Положительно заряженные четвертичные аммонийные группы в полимерной оболочке наночастиц повышают их устойчивость к агрегации в присутствии Cа2+ и способствуют их поглощению клетками. Механизмы поглощения наночастиц зависят от их заряда. Наночастицы с положительным ζ-потенциалом поглощаются с участием кальцийзависимых механизмов, которые подавляются при ингибировании кальцийзависимого фермента динамина или в присутствии хелатора кальция ЭГТА. Поглощение наночастиц с отрицательным ζ-потенциалом, напротив, усиливается при хелатировании ионов кальция. Это свидетельствует о различной роли клеточных кальцийзависимых механизмов в поглощении положительно и отрицательно заряженных наночастиц.
Литература
- Treuel L, Docter D, Maskos M, Stauber RH. Protein corona – from molecular adsorption to physiological complexity. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2015;6:857–873. DOI: 10.3762/bjnano.6.88.
- Barbero F, Russo L, Vitali M, Piella J, Salvo I, Borrajo ML. Formation of the protein corona: the interface between nanoparticles and the immune system. Seminars in Immunology. 2017;34:52–60. DOI: 10.1016/j.smim.2017.10.001.
- Arruda AP, Hotamisligil GS. Calcium homeostasis and organelle function in the pathogenesis of obesity and diabetes. Cell Metabolism. 2015;22(3):381–397. DOI: 10.1016/j.cmet.2015.06.010.
- Brodskiy PA, Zartman JJ. Calcium as a signal integrator in developing epithelial tissues. Physical Biology. 2018;15(5):051001. DOI: 10.1088/1478-3975/aabb18.
- Filippini A, DʼAmore A, DʼAlessio A. Calcium mobilization in endothelial cell functions. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(18):4525–4538. DOI: 10.3390/ijms20184525.
- Yao CK, Liu YT, Lee IC, Wang YT, Wu PY. A Ca2+ channel differentially regulates clathrin-mediated and activity-dependent bulk endocytosis. PLoS Biology. 2020;15(4):e2000931. DOI: 10.1371/journal.pbio.2000931.
- Leitz J, Kavalali ET. Ca2+ dependence of synaptic vesicle endocytosis. The Neuroscientist. 2016;22(5):464–476. DOI: 10.1177/1073858415588265.
- Heedoo L, Groota M, Pinilla-Vera M, Fredenburgh LE, Jin Y. Identification of miRNA-rich vesicles in bronchoalveolar lavage fluid: Insights into the function and heterogeneity of extracellular vesicles. Journal of Controlled Release. 2019;294:43–52. DOI: 10.1016/j.jconrel.2018.12.008.
- Resch-Genger U, Grabolle M, Cavaliere-Jaricot S, Nitschke & Thomas Nann R. Quantum dots versus organic dyes as fluorescent labels. Nature Methods. 2008;5(9):763–775. DOI: 10.1038/nmeth.1248.
- Petrova EA, Terpinskaya TI, Fedosyuk AA, Radchanka AV, Antanovich AV, Prudnikau AV, et al. Luminescent quantum dots encapsulated by zwitterionic amphi philic polymer: surface charge-dependent interaction with cancer cells. Journal of the Belarusian State University. Chemistry. 2018;1:3–13.
- Rosenthal SJ, Mcbride J, Pennycook SJ, Feldman LC. Synthesis, surface studies, composition and structural characterization of CdSe, core/shell and biologically active nanocrystals. Surface Science Reports. 2007;62(4):111–157. DOI: 10.1016/j.surfrep.2007.02.001.
- Fedosyuk A, Radchanka A. Determination of concentration of amphiphilic polymer molecules on the surface of encapsulated semiconductor nanocrystals. Langmuir. 2016;32(8):1955–1961. DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b04602.
- Nakamura Y. EGTA Can Inhibit Vesicular Release in the Nanodomain of Single Ca2+ Channels. Frontiers in Synaptic Neuroscience. 2019;11(26):15. DOI: 10.3389/fnsyn.2019.00026.
- Pepperell JR, Preston SL, Behrman HR. The antigonadotropic action of prostaglandin F2α is not mediated by elevated cytosolic calcium levels in rat luteal cells. Endocrinology. 1989;125(1):144–151. DOI: 10.1210/endo-125-1-144.
- Grant RL, Acosta D. Interactions of intracellular pH and intracellular calcium in primary cultures of rabbit corneal epithelial cells. In Vitro Cellular & Developmental Biology – Animal. 1996;32(1):38–45. DOI: 10.1007/bf02722992.
- Iida H, Sakaguchi S, Yagawa Y, Anraku Y. Cell cycle control by Ca2+ in Saccharomyces cerevisiae. Journal of Biological Chemistry. 1990;265(34):21216–21222.
- Timmers AC, Reiss HD, Schel JH. Digitonin-aided loading of Fluo-3 into embryogenic plant cells. Cell Calcium. 1991;12(7):515–521. DOI: 10.1016/0143-4160(91)90033-b.
- Okorokov LA, Tanner W, Lehle L. A novel primary Ca2+-transport system from Saccharomyces cerevisiae. European Journal of Biochemistry. 1993;216(2):573–577. DOI: 10.1111/j.1432-1033.1993.tb18176.x.
- Almeida JC, Benchimol M, Okorokov LA. Ca2+ sequestering in the early-branching amitochondriate protozoan Tritrichomonas foetus: an important role of the Golgi complex and its Ca2+-ATPase. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 2003;1615(1–2):60–68. DOI: 10.1016/s0005-2736(03)00192-5.
- Mettlen M, Chen PH, Srinivasan S, Danuser G, Schmid SL. Regulation of clathrin-mediated endocytosis. Annual Review of Biochemistry. 2018;87:871–896. DOI: 10.1146/annurev-biochem-062917-012644.
- Mayor S, Parton RG, Donaldson JG. Clathrin-independent pathways of endocytosis. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2014;6:a016758. DOI: 10.1101/cshperspect.a016758.
- Sathe M, Muthukrishnan G, Rae J, Disanza A, Thattai M, Scita G. Small GTPases and BAR domain proteins regulate branched actin polymerisation for clathrin and dynamin-independent endocytosis. Nature Communications. 2018;9:1835–1844. DOI: 10.1038/s41467-018-03955-w.
- Fröhlich E. The role of surface charge in cellular uptake and cytotoxicity of medical nanoparticles. International Journal of Nanomedicine. 2012;7:5577–5591. DOI: 10.2147/IJN.S36111.
- Donahue ND, Acar H, Wilhelm S. Concepts of nanoparticle cellular uptake, intracellular trafficking, and kinetics in nanomedicine. Advanced Drug Delivery Reviews. 2019;143:68–96. DOI: 10.1016/j.addr.2019.04.008.
- Chen Y, Deng L, Maeno-Hikichi Y, Lai M, Chang S, Chen G. Formation of an endophilin-Ca2+ channel complex is critical for clathrin-mediated synaptic vesicle endocytosis. Cell. 2003;115(1):37–48. DOI: 10.1016/s0092-8674(03)00726-8.
- Teng H, Wilkinson RS. Clathrin-mediated endocytosis in snake motor terminals is directly facilitated by intracellular Ca2+. Journal of Physiology. 2005;565(3):743–750. DOI: 10.1113/jphysiol.2005.087296.
- Zhang J, Fan J, Tian Q, Song Z, Zhang J, Chen Y. Characterization of two distinct modes of endophilin in clathrin-mediated endocytosis. Cellular Signalling. 2012;24(11):2043–2050. DOI: 10.1016/j.cellsig.2012.06.006.
- Delos Santos RC, Bautista S, Lucarelli S, Bone LN, Dayam RM, Abousawan J, et al. Selective regulation of clathrin-mediated epidermal growth factor receptor signaling and endocytosis by phospholipase C and calcium. Molecular Biology of the Cell. 2017;28(21):2747–2903. DOI: 10.1091/mbc.E16-12-0871.
- Bhattacharjee S, Ershov D, van der Gucht J, Alink GM, Rietjens IMCM, Zuilhof H. Surface charge-specific cytotoxicity and cellular uptake of tri-block copolymer nanoparticles. Nanotoxicology. 2013;7(1):71–84. DOI: 10.3109/17435390.2011.633714.
- Yameen B, Choi WI, Vilos C, Swami A, Shi J, Farokhzad OC. Insight into nanoparticle cellular uptake and intracellular targeting. Journal of Controlled Release. 2014;190:485–499. DOI: 10.1016/j.jconrel.2014.06.038.
- Schmid SL. Reciprocal regulation of signaling and endocytosis: implications for the evolving cancer cell. Journal of Cell Biology. 2017;216(9):2623–2632. DOI: 10.1083/jcb.201705017.
- Fazlollahi F, Kim YH, Sipos A, Hamm-Alvarez SF, Borok Z, Kim KJ, et al. Nanoparticle translocation across mouse alveolar epithelial cell monolayers: species-specific mechanisms. Nanomedicine. 2013;9(6):786–794. DOI: 10.1016/j.nano.2013.01.007.
Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Химия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:
- Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
- Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
- Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).