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      納米尺寸物體在哺乳動物細胞中的細胞溶質(zhì)擴散
      
			
      
				2019-03-29 10:25:07
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      細胞是復雜的，多區(qū)域化的物質(zhì)實體，其被各種膜結(jié)合的細胞器包圍，其范圍從微米級(μm)到納米級(nm)直徑。這些結(jié)構(gòu)混合在稱為細胞質(zhì)的擁擠水相中，其中擴散偏離布朗運動。理解“細胞擁擠”的概念和對細胞內(nèi)遷移的影響可以使細胞內(nèi)的受控擴散能夠改善藥物遞送和其他醫(yī)學應用。真核細胞質(zhì)是雙相多孔彈性(流體和固體相互作用)介質(zhì)，含有液相(細胞質(zhì)與水和可溶性蛋白質(zhì))和固相(細胞骨架和其他細胞器)。
      

      納米尺寸物體在哺乳動物細胞中的細胞溶質(zhì)擴散
      

      用示蹤劑對細胞內(nèi)運動進行的實驗通常顯示布朗運動和次擴散運動(或異常擴散)。細胞質(zhì)中高濃度的大分子被描述為“阻礙性分子擁擠”和生化相互作用(靜電或疏水)自然地影響細胞內(nèi)示蹤劑的移動性。
      

      因此，一個基本問題仍然沒有得到解決：統(tǒng)一的框架可以解釋細胞溶質(zhì)擴散中觀察到的行為的巨大變化嗎?Fred Etoc及其同事現(xiàn)在在Nature Materials上撰文，使用熒光納米粒子(NP)示蹤劑的單粒子跟蹤來觀察和提出一個統(tǒng)一的框架，描述納米化物體在真核細胞細胞質(zhì)中的擴散動力學。
      

      研究人員證明：
      

      惰性物體不受阻礙分子擁擠的影響，以顯示布朗運動，在低粘度介質(zhì)中擴散 - 如果它們的尺寸低于約75nm。研究人員將它們與“迷宮跑者”進行了比較
      

      大約25納米但具有增加的非特異性相互作用的示蹤劑使擴散速度減慢三個數(shù)量級，逐漸變得異常并與“方形舞者”進行比較
      

      使用簡單的連續(xù)時間隨機游走(CTRW)模型將非特定相互作用的強度捕獲到單個參數(shù)中，該模型是描述通過擴散粒子執(zhí)行的隨機游走的教科書模型。通過固定隨機游走的一些基本屬性，可以觀察到漫射粒子探索了一個隨時間線性增長的區(qū)域(均方位移 - MSD)。為了通過實驗確定細胞內(nèi)運動現(xiàn)象，Etoc和同事劫持了稱為胞飲作用途徑的細胞進入門(通過囊泡形成來觀察運輸生物材料)，將功能化和熒光標記的納米顆粒(NPs)導入活HeLa細胞。 。通過延時顯微鏡記錄單個NP的細胞質(zhì)擴散(每個細胞20至50個NP)，并使用單粒子追蹤分析進行定量。
      

      短暫的滲透壓休克使NPs分散到細胞質(zhì)中。通過廣泛的單粒子跟蹤實驗監(jiān)測NP對細胞內(nèi)部的基于擴散的探索。使用這種方法，觀察到各種NP表面改性和15至75nm范圍內(nèi)的粒徑與周圍環(huán)境相互作用以獲得明顯的擴散異常。
      

      在這項研究中，Etoc等人。通過計算時間平均MSD為60 ms來估算短時間尺度下的移動性，以擴散系數(shù)D60ms表示。為了表示每種條件下NP的總體行為，參數(shù)α(異常指數(shù))和D60ms的分布由每個單獨的軌跡產(chǎn)生的，呈現(xiàn)為二維(2-D)密度圖。這種密度圖用于數(shù)百個軌跡和條件，綜合了α的結(jié)果在研究結(jié)果中優(yōu)雅地總結(jié)了D60ms。
      

      實驗數(shù)據(jù)也用基于連續(xù)時間隨機游走的最小模型解釋，其中粒子被描述為在自由擴散運動的周期之間采用冪律分布的休止。通過這種方法，MSD的發(fā)現(xiàn)可以作為粒子軌跡被再現(xiàn)和捕獲。未來的工作需要探索這些結(jié)果是否也適用于細胞中1到10納米大小的大量人群。了解如何在修改細胞中的非平衡條件(例如改變代謝狀態(tài))時如何改變異常隨機游走將使實驗家和理論家都忙碌。
      

      總體而言，研究人員提出了一個統(tǒng)一的框架來描述與細胞質(zhì)中納米尺寸物體相關的擴散動力學。該研究還提供了一種定量基準測試工具，用于設計完全惰性的NP，可以在不受障礙物阻礙的細胞內(nèi)擴散，并將其定義為“孤獨的迷宮跑步者”。這些見解對于設計細胞內(nèi)藥物遞送途徑以在將來容易地到達細胞內(nèi)的分子靶標可能變得至關重要。
      
			

			
        
      
			
      
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