基于暗场成像技术研究细胞膜外基质对金纳米颗粒内吞的影响

摘要

前人已经证明了颗粒尺寸大小、形貌、表面化学、表面电荷等物理化学性质以及大颗粒的沉降、细胞周期等因素会影响纳米颗粒的内吞效率。但以往的研究中大家都普遍认为细胞膜是细胞内环境与外环境的唯一障碍。实际上,在大多真核细胞外都存在着一层细胞膜外基质。因膜外基质层透明不易被观察,因此在以往细胞内吞的研究中被认为是物质进入细胞的障碍或被忽略,更有研究工作通过降解膜外基质来提高小分子的内吞效率。在纳米颗粒的内吞研究进展中,膜外基质对纳米颗粒进入细胞的影响至今是空白。因膜外基质对细胞的贴壁、迁移、增殖、分化等生命活动起着很重要的作用,且存在于细胞膜外,是纳米颗粒接触细胞的第一层。因此,本论文在前人研究基础上,以金纳米颗粒作为探针,利用暗场显微镜研究了细胞膜外基质对纳米颗粒内吞过程及内吞效率的影响,主要开展了以下工作：
(1)第 2 章我们通过实时示踪单个金纳米颗粒的内吞过程,根据颗粒的运动受限程度,颗粒进入细胞可分为四个阶段,这与以往别人的研究结果不一致,新发现了内吞过程中膜外基质层对颗粒运动的影响。通过单颗粒扩散系数计算及暗场层层聚焦,发现颗粒在距离细胞膜几微米范围内运动受限,速度减慢,并且膜外基质层对颗粒扩散运动的影响与细胞系及颗粒的表面化学无关。
(2)为了更加直接的证明膜外基质对金纳米颗粒内吞的影响,我们在第 3 章中用自身具有厚膜外基质的 MG-63 细胞作为厚膜外基质的细胞模型,降解膜外基质后的MG-63细胞作为薄膜外基质的细胞模型。利用暗场显微镜半定量的证明了在相同的颗粒浓度及培养条件下,厚膜外基质的细胞对颗粒具有更高的内吞效率,暗场结果显示厚膜外基质细胞的各个层面都聚集了大量的颗粒。接着,利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-AES)直接定量的证明了在相同条件下,厚膜外基质的细胞比薄膜外基质的细胞对金纳米颗粒具有更多的内吞量。初步说明了膜外基质促进了颗粒的内吞效率,相比之下,膜外基质变薄之后,颗粒内吞量大大降低,暗示膜外基质在颗粒内吞过程起着很重要的作用。
(3)前面的工作已经证明了厚膜外基质细胞可以促进金纳米颗粒的内吞效率,暗场结果明显显示出颗粒在细胞膜外基质和细胞内都有大量的聚集。第4章主要研究膜外基质促进颗粒内吞效率的机制。将与颗粒共培养之后的厚膜外基质细胞和薄膜外基质细胞样品,用共聚焦显微镜对各个焦面上的颗粒进行分层聚焦,发现厚膜外基质细胞在膜外基质层聚集了大量的粒子,而薄膜外基质细胞中几乎没有聚集颗粒。再者,利用共聚焦显微镜实时示踪了颗粒在厚膜外基质细胞中的聚集过程,结果显示在较短的时间内有大量的颗粒在厚膜外基质细胞中聚集,提高了细胞膜外的颗粒浓度,从而促进了颗粒的内吞量。接着,我们通过单颗粒示踪发现颗粒在膜外基质中的扩散运动受限变慢,颗粒的扩散系数接近0.1m2/s,这个值与很多膜受体在细胞膜上的扩散系数接近,说明了颗粒扩散系数慢有利于颗粒与膜上受体的结合,从而促进了颗粒的内吞效率。而薄膜外基质情况下,颗粒的扩散系数偏大,不易于颗粒与膜上受体的结合。内吞较少。证明了膜外基质通过两方面促进颗粒内吞效率：一方面通过在膜外基质中捕获和聚集大量颗粒,提高了与细胞膜作用的颗粒浓度,高浓度可实现高的内吞效率；二是通过减慢颗粒的扩散系数,使其与膜上受体的扩散系数接近,便于受体与配体的结合,从而促进内吞量。通过能量实验和内吞抑制剂实验证明了细胞膜外基质是受体介导内吞过程的一部分,对纳米颗粒的聚集及促进内吞都是能量依赖的。
(4)前人工作已证明细胞对纳米颗粒的内吞与颗粒的尺寸、形貌、表面化学都有很大的关系。第5章工作研究膜外基质促进颗粒内吞与颗粒自身的物理化学性质的关系。通过进行了50 nm、60 nm、90 nm、120 nm金颗粒的细胞内吞实验,证明了厚膜外基质促进颗粒的内吞效率与颗粒的尺寸无关。表面化学的结果说明了细胞膜外基质促进金纳米颗粒内吞与颗粒表面化学有很大的关系,膜外基质对不同表面化学的颗粒具有筛选的作用。
(5)为了更进一步证明膜外基质促进金纳米颗粒的内吞不是只在MG-63细胞中,而是具有一定的普遍性。第6章根据别人报导的抗坏血酸(ascorbic acid, AA)处理细胞可以促进细胞膜外基质的成分增加。我们用 HeLa 细胞作为正常细胞的细胞模型,经 AA处理之后的HeLa细胞作为厚膜外基质的细胞模型,降解膜外基质后的细胞作为薄膜外基质的细胞模型。利用暗场显微镜研究了不同处理的HeLa细胞对金纳米颗粒的内吞情况。与正常细胞的内吞结果相比,薄膜外基质细胞具有更少的内吞量,而厚膜外基质细胞具有更多的内吞量。
(6)在研究细胞内吞的影响因素基础上,还考察了内吞不同尺寸的金纳米颗粒后细胞所产生的细胞反应(第7章)。通过研究20 nm、50 nm、137 nm金颗粒对HeLa细胞贴壁、增殖、骨架排布等生命活动的影响。证明了宏观MTT毒性表征手段显示颗粒在较宽的浓度范围内是无毒的。但单细胞染色统计结果表明不同尺寸的颗粒内吞后对HeLa细胞的功能都产生了不同程度的影响。结果证明了以往利用MTT细胞活性表征方法研究纳米材料的毒性是不够的,纳米材料的进一步生物医学应用,需要更多的手段来表征纳米颗粒对细胞的毒性影响。并且以P19老鼠畸胎癌细胞为干细胞模型研究了内吞金纳米颗粒之后对干细胞神经向分化的影响,初步发现了金纳米颗粒能促进干细胞的神经向分化。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 细胞内吞纳米颗粒的研究

1.3 影响纳米颗粒内吞效率的因素

1.4 纳米颗粒的生物医学应用

1.5 纳米颗粒内吞过程研究

1.6 细胞膜外基质的成分及作用

1.7 纳米颗粒内吞后产生的细胞反应

1.8 本论文的工作设想

第2章 利用暗场显微镜实时研究单个金纳米颗粒在膜外微环境中的受限行为

2.1前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第3章 厚膜外基质细胞促进金纳米颗粒内吞效率的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第4章 细胞膜外基质促进金纳米颗粒内吞效率的机制研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第5章 颗粒尺寸和表面化学对膜外基质促进金纳米颗粒内吞效率的影响研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

第6章 膜外基质促进金纳米颗粒内吞效率的普遍性研究

6.1 前言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 小结

第7章 颗粒内吞后引发的细胞反应研究

7.1 前言

7.2 实验部分

7.3 结果与讨论

7.4 小结

结论

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文

致谢