Влияние ионов кальция на физико-химические свойства полупроводниковых квантовых точек, инкапсулированных амфифильным полимером, и эффективность их поглощения клетками

  • Александра Валерьевна Радченко Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Татьяна Ильинична Терпинская Институт физиологии Национальной академии наук Беларуси, ул. Академическая, 28, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Татьяна Леонидовна Янченко Институт физиологии Национальной академии наук Беларуси, ул. Академическая, 28, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Татьяна Викторовна Балашевич Институт физиологии Национальной академии наук Беларуси, ул. Академическая, 28, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Михаил Валентинович Артемьев Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-6608-0002

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.

Биографии авторов

Александра Валерьевна Радченко, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник лаборатории нанохимии

Татьяна Ильинична Терпинская, Институт физиологии Национальной академии наук Беларуси, ул. Академическая, 28, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук; ведущий научный сотрудник многопрофильной диагностической лаборатории

Татьяна Леонидовна Янченко, Институт физиологии Национальной академии наук Беларуси, ул. Академическая, 28, 220072, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник многопрофильной диагностической лаборатории

Татьяна Викторовна Балашевич, Институт физиологии Национальной академии наук Беларуси, ул. Академическая, 28, 220072, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник многопрофильной диагностической лаборатории

Михаил Валентинович Артемьев, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор химических наук; заведующий лабораторией нанохимии

Литература

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. Leitz J, Kavalali ET. Ca2+ dependence of synaptic vesicle endocytosis. The Neuroscientist. 2016;22(5):464–476. DOI: 10.1177/1073858415588265.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 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.
  21. 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.
  22. 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.
  23. 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.
  24. 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.
  25. 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.
  26. 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.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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.
  30. 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.
  31. 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.
  32. 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.
Опубликован
2020-08-25
Ключевые слова: квантовые точки, амфифильный полимер, ξ-потенциал, ионы кальция, поглощение клетками
Как цитировать
Радченко, А. В., Терпинская, Т. И., Янченко, Т. Л., Балашевич, Т. В., & Артемьев, М. В. (2020). Влияние ионов кальция на физико-химические свойства полупроводниковых квантовых точек, инкапсулированных амфифильным полимером, и эффективность их поглощения клетками. Журнал Белорусского государственного университета. Химия, 2, 3-16. https://doi.org/10.33581/2520-257X-2020-2-3-16