纳米尺寸物体在哺乳动物细胞中的细胞溶质扩散

细胞是复杂的，多区域化的物质实体，其被各种膜结合的细胞器包围，其范围从微米级(μm)到纳米级(nm)直径。这些结构混合在称为细胞质的拥挤水相中，其中扩散偏离布朗运动。理解“细胞拥挤”的概念和对细胞内迁移的影响可以使细胞内的受控扩散能够改善药物递送和其他医学应用。真核细胞质是双相多孔弹性(流体和固体相互作用)介质，含有液相(细胞质与水和可溶性蛋白质)和固相(细胞骨架和其他细胞器)。

用示踪剂对细胞内运动进行的实验通常显示布朗运动和次扩散运动(或异常扩散)。细胞质中高浓度的大分子被描述为“阻碍性分子拥挤”和生化相互作用(静电或疏水)自然地影响细胞内示踪剂的移动性。

因此，一个基本问题仍然没有得到解决：统一的框架可以解释细胞溶质扩散中观察到的行为的巨大变化吗?Fred Etoc及其同事现在在Nature Materials上撰文，使用荧光纳米粒子(NP)示踪剂的单粒子跟踪来观察和提出一个统一的框架，描述纳米化物体在真核细胞细胞质中的扩散动力学。

研究人员证明：

惰性物体不受阻碍分子拥挤的影响，以显示布朗运动，在低粘度介质中扩散 - 如果它们的尺寸低于约75nm。研究人员将它们与“迷宫跑者”进行了比较

大约25纳米但具有增加的非特异性相互作用的示踪剂使扩散速度减慢三个数量级，逐渐变得异常并与“方形舞者”进行比较

使用简单的连续时间随机游走(CTRW)模型将非特定相互作用的强度捕获到单个参数中，该模型是描述通过扩散粒子执行的随机游走的教科书模型。通过固定随机游走的一些基本属性，可以观察到漫射粒子探索了一个随时间线性增长的区域(均方位移 - MSD)。为了通过实验确定细胞内运动现象，Etoc和同事劫持了称为胞饮作用途径的细胞进入门(通过囊泡形成来观察运输生物材料)，将功能化和荧光标记的纳米颗粒(NPs)导入活HeLa细胞。 。通过延时显微镜记录单个NP的细胞质扩散(每个细胞20至50个NP)，并使用单粒子追踪分析进行定量。

短暂的渗透压休克使NPs分散到细胞质中。通过广泛的单粒子跟踪实验监测NP对细胞内部的基于扩散的探索。使用这种方法，观察到各种NP表面改性和15至75nm范围内的粒径与周围环境相互作用以获得明显的扩散异常。

在这项研究中，Etoc等人。通过计算时间平均MSD为60 ms来估算短时间尺度下的移动性，以扩散系数D60ms表示。为了表示每种条件下NP的总体行为，参数α(异常指数)和D60ms的分布由每个单独的轨迹产生的，呈现为二维(2-D)密度图。这种密度图用于数百个轨迹和条件，综合了α的结果在研究结果中优雅地总结了D60ms。

实验数据也用基于连续时间随机游走的最小模型解释，其中粒子被描述为在自由扩散运动的周期之间采用幂律分布的休止。通过这种方法，MSD的发现可以作为粒子轨迹被再现和捕获。未来的工作需要探索这些结果是否也适用于细胞中1到10纳米大小的大量人群。了解如何在修改细胞中的非平衡条件(例如改变代谢状态)时如何改变异常随机游走将使实验家和理论家都忙碌。

总体而言，研究人员提出了一个统一的框架来描述与细胞质中纳米尺寸物体相关的扩散动力学。该研究还提供了一种定量基准测试工具，用于设计完全惰性的NP，可以在不受障碍物阻碍的细胞内扩散，并将其定义为“孤独的迷宫跑步者”。这些见解对于设计细胞内药物递送途径以在将来容易地到达细胞内的分子靶标可能变得至关重要。