Insight sobre a captação celular e o tráfico intracelular de nanopartículas

Resumo

A ciência das nanopartículas está mudando rapidamente a paisagem de vários campos científicos e definindo novas plataformas tecnológicas. Isso talvez seja ainda mais evidente no campo da nanomedicina, em que as nanopartículas têm sido utilizadas como uma ferramenta para o tratamento e diagnóstico de muitas doenças. No entanto, apesar do enorme benefício conferido, as armadilhas comuns dessa tecnologia são seus efeitos potenciais de curto e longo prazo no corpo humano. Para entender essas questões, muitos estudos científicos foram realizados. Esta revisão tenta lançar luz sobre alguns desses estudos e seus resultados. Os tópicos que foram examinados nesta revisão incluem as diferentes vias de absorção possíveis de nanopartículas e rotas de tráfego intracelular. Além disso, o efeito das propriedades físico-químicas das nanopartículas, como tamanho, forma, carga e química da superfície, na determinação do mecanismo de absorção e função biológica das nanopartículas também são abordadas.

Introdução

Nanopartículas (NPs) são uma subcategoria de nanomateriais que estão atualmente na vanguarda da pesquisa de ponta em quase todos os campos imagináveis devido às suas propriedades únicas e enorme aplicabilidade [1,2,3,4]. Em um relatório de pesquisa de mercado de tecnologia intitulado “Global NP Market Outlook 2020” da RNCOS, foi relatado que o mercado de NPs crescerá a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 16% durante 2015–2020. A tecnologia NP encontrou um nicho único no campo da biomedicina e biotecnologia com seu repertório de aplicações em rápido crescimento [5, 6]. Por exemplo, NPs foram aplicados para entrega de drogas e genes [7, 8], biodetecção de patógenos [9], detecção de proteínas [10], engenharia de tecidos [11, 12], imagem e direcionamento de tumor [13], destruição de tumor via hipertermia [14] e realce de contraste de ressonância magnética [15].

Devido ao seu pequeno tamanho, os NPs podem facilmente entrar nas células, bem como se translocar através das células, tecidos e órgãos. NPs são amplamente utilizados em aplicações biomédicas porque são capazes de passar pela barreira biológica e entrar na célula para exercer sua função. No entanto, como uma faca de dois gumes, os riscos potenciais (ou seja, efeito adverso) de NP também surgem dessa capacidade [16, 17]. Apesar de seu tamanho “pequeno”, NPs como moléculas polares não são capazes de se difundir através da membrana celular (CM). Uma vez que o CM é principalmente permeável a moléculas pequenas e apolares, os NPs empregam vias endocitóticas para entrar nas células [18, 19]. A forma como os NPs entram na célula é um fator chave na determinação de suas funções biomédicas, biodistribuição e toxicidade. Na nanomedicina, a entrada segura de NPs nas células é uma etapa crucial para obter alta eficácia terapêutica. Além disso, o tráfego intracelular e o destino dos NPs é um processo vital para o sucesso dos NPs, considerando que esses portadores têm como objetivo o compartimento subcelular específico e entregar biomoléculas específicas, como agentes de contraste, genes e drogas [18, 20,21,22 ] Mais importante ainda, a indução de citotoxicidade por NPs é determinada por sua via de entrada e localização intracelular. Conseqüentemente, a compreensão da captação celular e do tráfego intracelular de NPs é crucial para o desenvolvimento de nanomedicamentos seguros e eficientes [23].

A captação celular, direcionamento e tráfego intracelular de NPs podem ser otimizados pelo ajuste das propriedades físico-químicas de NP, como tamanho, forma e propriedades de superfície [24]. Portanto, o conhecimento dos mecanismos subjacentes envolvidos na captação celular é crucial para avaliar o destino dos NPs e sua toxicidade. Esta revisão destaca as diferentes vias de captação possíveis de NPs e suas rotas de tráfego intracelular. Além disso, o efeito das propriedades físico-químicas do NP, como tamanho, forma, carga e química de superfície em sua internalização pelas células também são abordados. Compreender as propriedades físico-químicas dos NPs em relação ao seu mecanismo de captação celular nos permitirá projetar NPs funcionais que são cruciais em aplicações biomédicas, como a entrega de cargas úteis de drogas no local de ação direcionado de maneira controlada com efeitos tóxicos mínimos nos tecidos saudáveis circundantes e órgãos.

Caminhos de captação celular de NPs

O CM, também conhecido como membrana plasmática, envolve o citoplasma ao separar o líquido intracelular do extracelular. O CM é imensamente importante, pois protege os componentes intracelulares, mantém a homeostase celular, confere suporte estrutural e retém a composição da célula [25,26,27,28,29]. CM consiste em fosfolipídios dispostos em uma camada dupla com proteínas embutidas. Essas bicamadas fosfolipídicas, com suas cabeças hidrofílicas e caudas hidrofóbicas, permitem a entrada de pequenas biomoléculas. Mais especificamente, o CM é uma barreira seletivamente permeável que controla a passagem de substâncias para a célula [30, 31]. O MC emprega diferentes mecanismos de troca de substâncias que se dividem principalmente em duas categorias:transporte passivo e transporte ativo. Gases como oxigênio e dióxido de carbono, moléculas hidrofóbicas como benzeno e moléculas não carregadas como água e etanol se difundem através da membrana das regiões de maior para menor concentração. Esse tipo de transporte que ocorre ao longo do gradiente de concentração e ocorre sem auxílio de energia é denominado transporte passivo. Em contraste, o transporte ativo ocorre contra o gradiente de concentração usando a energia fornecida pelo trifosfato de adenosina (ATP) [32,33,34,35,36].

Biomoléculas polares ou carregadas que não podem passar pela membrana plasmática hidrofóbica são internalizadas por uma forma de transporte ativo que é chamada de endocitose. Nesse processo, a célula envolve os materiais dentro do fluido extracelular por invaginação de CM e brota dentro da célula, formando uma vesícula delimitada por membrana chamada endossomo [37]. A endocitose pode ser basicamente classificada em duas categorias principais:fagocitose e pinocitose. Fagocitose (ingestão de células) é o processo de absorção de detritos, bactérias ou outros solutos de grande tamanho por células especializadas de mamíferos chamadas fagócitos (ou seja, monócitos, macrófagos e neutrófilos) [38, 39].

Integral à fagocitose é um processo denominado opsonização, pelo qual opsoninas, como imunoglobulinas e proteínas do complemento, revestem os materiais alvo para desencadear os fagócitos de sua presença e inicializar a atividade fagocitótica [40]. À medida que o fagócito começa a ingerir o material alvo, ele simultaneamente estimula a formação de uma vesícula ligada à membrana chamada fagossomo, na qual os materiais ingeridos são compartimentados dentro do fagócito. Nos últimos estágios desse processo, o fagossoma se fundirá com o lisossoma e os materiais são digeridos em pH ácido pelas enzimas hidrolíticas contidas no lúmen lisossomal [41,42,43].

Em todos os tipos de células, pequenas partículas na faixa de nanômetros são internalizadas por pinocitose [44]. Na pinocitose, a membrana plasmática “bebendo celular” forma uma invaginação para absorver uma pequena gota de fluido extracelular, incluindo moléculas dissolvidas nele. A pinocitose não é um processo discriminatório e ocorre em quase todas as células de forma contínua, independentemente das necessidades da célula. As substâncias agarradas são comprimidas em pequenas vesículas que são chamadas de pinossomas, que se fundem com os lisossomas para hidrolisar ou quebrar o conteúdo [45, 46]. A fagocitose e a pinocitose podem ser distinguidas pelo tamanho de suas vesículas endocitóticas; o primeiro engloba a absorção de grandes partículas por grandes vesículas com o tamanho de 250 nm, e o último abrange a absorção de fluidos através de pequenas vesículas com o tamanho na faixa de alguns nanômetros a centenas de nanômetros [42, 47]. A pinocitose pode ser subcategorizada em endocitose mediada por clatrina, endocitose mediada por caveola, endocitose independente de clatrina e caveolae e macropinocitose [48, 49].

Endocitose mediada por clatrina é o mecanismo de entrada celular para internalizar moléculas específicas nas células. Esta via de entrada auxilia as células a absorverem os componentes da membrana plasmática e nutrientes, incluindo o colesterol pelo receptor de lipoproteína de baixa densidade e o ferro pelo receptor de transferrina [50,51,52,53,54,55,56]. Neste processo, ligandos particulares no fluido extracelular ligam-se aos receptores na superfície do CM formando um complexo ligando-receptor. Este complexo ligante-receptor se move para uma região especializada do CM que é rica em clatrina, onde são engolfados pela formação de vesículas revestidas de clatrina. Uma vez dentro da célula, os revestimentos de clatrina no exterior das vesículas são expelidos antes de se fundirem com os endossomos iniciais. A carga dentro dos endossomos iniciais chegará eventualmente aos lisossomas através da via endo-lisossomal [40, 57,58,59,60]. Cada tipo de NP é internalizado pela célula via via preferencial de absorção. Por exemplo, NPs compostos de poli (ácido lático-co-glicólico), D, L-polilactídeo e poli (etilenoglicol-lactídeo) e sílica (SiO ₂ ) nanomateriais à base de clatrina são internalizados pela via endocitótica mediada por clatrina [61]. NPs de lipídios sólidos à base de cumarina são internalizados pelas células por meio de uma via não dependente de energia, pois a estrutura desses NPs é semelhante à do CM. Todos os NPs baseados em lipídios utilizam a via de endocitose mediada por clatrina [62]. Os NPs de ouro revestidos com herceptina entram na célula via endocitose mediada por receptor por meio do receptor ErbB2 de membrana [63].

Endocitose mediada por caveolae é a rota de entrada celular que envolve invaginações de membrana em forma de frasco chamadas caveolae (pequenas cavernas). Caveolae está presente em células endoteliais, epiteliais, adipócitos, células musculares e fibroblastos [64,65,66,67]. O tamanho das caveolae tipicamente varia de 50 a 80 nm e são compostas de proteína de membrana caveolina-1 que lhes confere estrutura em forma de frasco [68,69,70,71]. A endocitose dependente de caveolae está envolvida na sinalização celular e na regulação de proteínas de membrana, lipídios e ácidos graxos [61, 64, 67]. Uma vez que as caveolas são separadas da membrana plasmática, elas se fundem com um compartimento celular chamado caveossomos, que existe em pH neutro. Os caveossomos são capazes de contornar os lisossomas e, portanto, proteger o conteúdo da enzima hidrolítica e da degradação lisossomal. Conseqüentemente, os patógenos, incluindo vírus e bactérias, usam essa via de entrada para prevenir a degradação. Como a carga internalizada nas células por mecanismo dependente de caveolina não termina no lisossoma, essa via é empregada na nanomedicina [54, 72,73,74].

Endocitose independente de clatrina e caveolae ocorre em células que são privadas de clatrina e caveolina. Esta via é utilizada por hormônios de crescimento, fluido extracelular, proteínas ligadas a glicosilfosfatidilinositol (GPI) e interleucina-2 para entrar nas células. Por exemplo, o ácido fólico que emprega vias independentes de clatrina e caveolae para entrar nas células [58, 72, 75,76,77,78,79] são conjugados a NPs e polímeros usados em sistemas de entrega de drogas e como agentes de imagem [53 , 80, 81]. A macropinocitose é um tipo de mecanismo de pinocitose no qual as células absorvem grandes volumes de líquido extracelular, formando uma grande vesícula (0,5–10 µm) denominada macropinossomas [82,83,84,85]. A macropinocitose é uma via para internalizar células apoptóticas e necróticas, bactérias e vírus, bem como a apresentação de antígenos. Esta via pode internalizar NPs de tamanho mícron que não são possíveis de serem levados para as células pela maioria das outras vias. A macropinocitose pode ocorrer em quase todas as células, exceto nas células endoteliais dos microvasos do cérebro [86,87,88,89]. NPs entram na célula por meio de uma dessas rotas endocitóticas, conforme ilustrado na Fig. 1.

Entrada de NPs na célula usando diferentes vias endocitóticas. a Macropinocitose e fagocitose. b Endocitose mediada por clatrina, endocitose independente de clatrina-caveolina e endocitose mediada por caveolae

Efeito das propriedades físico-químicas de NP na captação celular

Estudar o efeito das propriedades físico-químicas dos NPs, como tamanho, forma, carga superficial, hidrofobicidade / hidrofilicidade da superfície e funcionalização da superfície na captação celular é crucial, pois esses parâmetros afetam diretamente o nível de captação, a rota endocitótica, bem como a citotoxicidade dos NPs. [90, 91]. Os fatores físico-químicos que afetam a captação celular de NPs são ilustrados na Fig. 2. Na seção seguinte, o impacto desses parâmetros nas interações célula-NP é discutido.

Fatores físico-químicos que afetam a captação celular de NP. a Carga de superfície, b forma, c tamanho e d química de superfície

Efeito do tamanho

O tamanho do NP é um fator chave na determinação da eficiência da absorção celular [92], bem como seu potencial tóxico nas células vivas [24]. Além disso, descobriu-se que o tamanho do NP desempenha um papel importante na determinação da via de captação. NPs pequenos com tamanhos que variam de algumas a várias centenas de nanômetros entram nas células por meio de pino ou macropinocitose. NPs no intervalo de tamanho de 250 nm a 3 μm mostraram ter uma fagocitose in vitro ideal, enquanto NPs com o intervalo de tamanho de 120-150 nm são internalizados por endocitose mediada por clatrina ou caveolina e o tamanho máximo de NPs empregar esta via foi relatado como sendo de 200 nm [47, 93]. Na via mediada por caveolae, o tamanho da caveola impede a captação de NPs maiores [16, 17]. Um tipo específico de NP pode utilizar várias vias endocíticas, dependendo de seu tamanho.

Vários estudos indicaram que para a captação celular de NPs, há um tamanho ideal de 50 nm em que os NPs são internalizados de forma mais eficiente e tem uma taxa de captação mais alta. Foi demonstrado que a captação de NP diminui para partículas menores (cerca de 15–30 nm) ou partículas maiores (cerca de 70–240 nm) [94,95,96,97,98,99]. Além disso, NPs variando no tamanho de 30–50 nm interagem de forma eficiente com os receptores CM e são subsequentemente internalizados por meio de endocitose mediada por receptor [97]. Na aplicação de NPs para administração de medicamentos, a principal preocupação é evitar que os NPs sejam eliminados pelo sistema reticuloendotelial e prolongar seu tempo de circulação no sangue, aumentando assim a biodisponibilidade no alvo. A este respeito, o aumento do tamanho das NPs levará a um aumento na taxa de depuração [100,101,102,103,104,105]. Portanto, compreender o papel do tamanho do NP na captação celular é crucial para projetar NPs eficazes e seguros para aplicações médicas.

Embora diferentes estudos tenham investigado a relação entre o tamanho da NP e as vias de captação, os resultados revelados sempre foram inconsistentes [93, 106,107,108,109]. Essas contradições podem estar relacionadas à complexidade de controlar outros parâmetros do NP durante o processo de controle do tamanho. Além disso, os tamanhos dos NPs medidos após a síntese podem sofrer alterações durante os estudos in vitro e in vivo devido à aglomeração e agregação que, por sua vez, podem afetar as vias de internalização celular [110, 111]. O impacto do tamanho da partícula na via de captação celular em células B16 não fagocíticas foi investigado através do emprego de diferentes tamanhos de contas de látex fluorescentes na faixa de 50-1000 nm [93]. Os resultados demonstraram que o mecanismo de internalização desses grânulos depende significativamente do tamanho da partícula. Em particular, grânulos com tamanhos de 200 nm ou menos foram absorvidos por poços revestidos de clatrina, enquanto grânulos maiores foram internalizados por endocitose mediada por caveolae. Lai e colaboradores [16] descobriram que pequenos NPs poliméricos com tamanhos menores que 25 nm empregam um novo mecanismo para atingir a região perinuclear das células por meio de vesículas não degradativas fora da via endo / lisossomal. Esta via é não mediada por clatrina e não caveolae e independente de colesterol.

A captação de ouro (Au) NPs de diferentes tamanhos (2 a 100 nm) conjugados com Herceptin-AuNPs por células SK-BR-3 mostrou ser dependente do tamanho. A maior internalização celular foi observada para NPs nas faixas de tamanho de 25–50 nm [63]. Nessa rota de entrada, o tamanho do NP foi encontrado para ser o determinante na ligação e ativação de receptores de membrana e a eventual expressão das proteínas. O efeito da variação no tamanho e forma dos AuNPs coloidais na captação intracelular foi avaliado [112]. AuNPs de tamanho 14, 50 e 74 nm com formato esférico e de bastonete foram incubados com células HeLa. Verificou-se que a captação de NP depende fortemente de seu tamanho e forma e as partículas com tamanho de 50 nm apresentaram a maior taxa de captação. Além disso, a absorção de AuNPs esféricos foi 500% maior do que NPs em forma de bastonete de tamanho semelhante. Shan et al. [113] investigaram a força dependente do tamanho de endocitose AuNPs com diâmetros de 4, 12 e 17 nm por células HeLa. Os resultados revelaram que tanto os valores de força de absorção quanto de desacoplamento aumentam com o tamanho dos AuNPs. A aceitação de SiO ₂ NPs de diferentes tamanhos (50, 100 e 300 nm) por células A549 (células epiteliais do pulmão) foram estudadas por meio da combinação de citometria de fluxo, fluorescência e microscopias eletrônicas. Esses pesquisadores mostraram que a absorção de SiO ₂ NPs diminuíram de tamanho [114].

Efeito da forma

Além do tamanho, a forma do NP também desempenha um papel fundamental na via de captação, bem como no tráfego de NPs. Chithrani et al. [112] estudaram o efeito da forma de AuNPs coloidais na captação de células HeLa. O resultado revelou que AuNPs esféricos tiveram uma captação cinco vezes maior do que AuNPs em forma de bastonete. Em outro trabalho, os mesmos pesquisadores investigaram o nível de absorção de AuNP revestido por transferrina esférico e em forma de bastonete em três linhas celulares diferentes; Células STO, células HeLa e células SNB19 [94]. Eles observaram que AuNPs esféricos foram internalizados por todas as linhas celulares em uma taxa mais alta do que AuNPs em forma de bastonete.

A fim de estabelecer o efeito da forma in vivo, Geng e colaboradores [115] empregaram filomicelas para avaliar as diferenças no transporte e tráfego de filamentos flexíveis com esferas em roedores. Os resultados revelaram que as filomicelas permaneceram em circulação cerca de dez vezes mais do que as esféricas. Além disso, as filomicelas esféricas são internalizadas pelas células mais facilmente do que os filamentos mais longos. Gratton e colaboradores [106] demonstraram o efeito da forma das partículas monodispersas de hidrogel na absorção pelas células HeLa. Eles descobriram que NPs em forma de bastão tinham as taxas de internalização mais altas em comparação com esferas, cilindros e cubos. Em outro estudo, o impacto da forma dos NPs na absorção celular foi investigado através do emprego de NPs de poliestireno (PS) em forma de disco, esféricos e em forma de bastonete em células Caco-2. O resultado demonstrou que os NPs em forma de bastão e disco foram internalizados duas vezes mais do que os NPs esféricos. Eles concluíram que a entrega de drogas mediada por NP pode ser avançada considerando a forma dos NPs [116].

Xu e colaboradores [117] estudaram o impacto da forma na absorção celular preparando NPs de hidróxido duplo em camadas (LDH) com isotiocianato de fluoresceína (FITC) em morfologia diferente, como folhas hexagonais (50-150 nm lateralmente de largura e 10-20 nm de espessura) e hastes (30–60 nm de largura e 100–200 nm de comprimento). Todas as morfologias foram obtidas por endocitose mediada por clatrina. As nanoesferas de LDH-FITC foram retidas no citoplasma, enquanto os nanobastões de LDH-FITC foram movidos em direção ao núcleo por microtúbulos. Dasgupta et al. aplicou [118] uma simulação para investigar o papel da forma de NPs na captação celular. Eles simularam o envoltório de membrana das NPs em forma de nanorod e nanocubo. Para partículas semelhantes a bastonetes, eles encontraram estados endocitóticos estáveis com fração de envolvimento pequena e alta; o incremento na relação de aspecto era indesejável para o envoltório completo. Nangia e Sureshkumar [119] computaram o efeito da forma na taxa de translocação de NPs aplicando técnicas avançadas de simulação de dinâmica molecular. Uma revelação importante do estudo é a variação significativa na taxa de translocação de NPs em forma de cone, cubo, haste, arroz, pirâmide e esfera.

Efeito da carga de superfície

Outro fator crítico que influencia a absorção celular de NPs é a carga superficial. Na década recente, a modificação nano de superfície foi empregada para projetar a carga superficial de NPs para ser catiônica ou aniônica [92]. O CM carregado negativamente aumenta a absorção de NPs carregados positivamente. Em particular, NPs carregados positivamente têm maior internalização do que NPs neutros e carregados negativamente [47, 120]. No entanto, a captação de NPs carregados positivamente pode interromper a integridade do CM e levar a um aumento na toxicidade [121, 122]. Em geral, NPs carregados positivamente induzem a morte celular [123, 124]. Curiosamente, NPs com carga neutra diminuirão a captação celular em comparação com NPs com carga negativa [110, 125,126,127]. Além disso, a internalização de NPs carregados negativamente leva à gelificação das membranas, enquanto NPs carregados positivamente causam fluidez no CM [128, 129]. Além da taxa de absorção de NP, as cargas superficiais também afetam os mecanismos de absorção. Mais especificamente, NPs carregados positivamente são principalmente internalizados pela célula via macropinocitose, enquanto a endocitose independente de clatrina / caveolae é o mecanismo para a captação de NPs carregados negativamente [130]. As vias de captação celular variam quando a superfície dos AuNPs é revestida por moléculas orgânicas. Por exemplo, AuNPs simples que são carregados positivamente são internalizados via macropinocitose e endocitose mediada por clatrina e caveolina, enquanto AuNPs revestidos com polietilenoglicol (PEG) com carga negativa são principalmente internalizados por endocitose mediada por caveolina e / ou clatrina [131].

Li e Gu [132] estudaram a interação de NPs carregados e neutros com CM por meio de simulações de dinâmica molecular. Verificou-se que NPs carregados tinham melhor adesão aos CMs em comparação com NPs neutros. Além disso, ao aumentar a densidade de carga dos NPs, eles podem ser totalmente envolvidos pela membrana. Outro grupo de pesquisa empregou simulação de dinâmica molecular para investigar as interações de AuNPs catiônicos e aniônicos com CMs. Os resultados revelaram que a interrupção do CM devido à penetração dos AuNPs aumenta à medida que a densidade de carga dos AuNPs é aumentada [133]. Essas descobertas sugerem uma maneira de controlar as interações entre as células e AuNP, manipulando as densidades de carga de superfície de AuNPs para otimizar sua captação, minimizando a citotoxicidade, que são características essenciais para quaisquer NPs que estão sendo considerados para aplicações biomédicas.

Li e Malmstadt [134] estudaram a interação de PS-NPs carregados positivamente e negativamente com a membrana biológica. O resultado mostrou que a forte interação eletrostática entre NPs catiônicos e os grupos fosfato da membrana levou ao aumento da ligação NP-membrana e da tensão superficial da membrana que, por sua vez, resultou na formação de poros. A taxa de absorção de AuNPs carregados positivamente em células SK-BR-3 foi relatada cinco vezes maior do que AuNPs carregados negativamente. Esses pesquisadores também exploraram que AuNPs carregados positivamente foram internalizados por vias de não endocitose, enquanto AuNPs carregados negativamente foram absorvidos por células por meio de vias de endocitose [135].

Hauck et al. [107] investigou a captação de nanobastões de ouro (AuNRs) com uma faixa de tamanho de 18 a 40 nm e cargas de superfície na faixa de + 37 mV a - 69 mV por células HeLa. Os resultados indicaram que para todas as concentrações de AuNRs, a maior internalização em células HeLa foi com as cargas de superfície de + 37 mV e a menor internalização em - 69 mV. Huhn e colaboradores [136] avaliaram as interações dependentes de carga de AuNPs coloidais com diferentes linhas de células, como células de fibroblastos 3T3, células progenitoras neurais murinas C17.2 e células endoteliais da veia umbilical humana. O resultado mostrou que para todas as linhas celulares AuNPs catiônicos tiveram maior captação do que a contraparte aniônica. Eles concluíram que a captação celular é altamente dependente do sinal de carga. Além disso, o estudo de citotoxicidade indicou que, como consequência da maior captação de NPs carregados positivamente, eles apresentam toxicidade maior do que os carregados negativamente.

Efeito da hidrofobicidade

A hidrofobicidade do NP é um fator determinante em sua interação com o CM [92, 137]. Vários estudos demonstraram o impacto da hidrofobicidade dos NPs em suas interações com o MC. Li et al. [138] estudaram o efeito da hidrofobicidade / hidrofilicidade de NPs na interação com CM, empregando simulações de dinâmica molecular. Os resultados revelaram que NPs hidrofóbicos criaram inclusão no MC, enquanto NPs hidrofílicos foram adsorvidos no MC. Em outra pesquisa, a abordagem de simulação foi aplicada para investigar o efeito da hidrofobicidade na interação NP-célula. Foi observado que NPs hidrofílicos foram envolvidos, enquanto NPs hidrofóbicos foram incorporados dentro do núcleo hidrofóbico interno das bicamadas através da penetração direta na membrana [139].

As interações de QDNPs com membranas mistas de lipídio / polímero foram avaliadas alterando a superfície de hidrofobicidade de NPs. Foi observado que NPs hidrofóbicos se localizaram dentro dos domínios do polímero em uma monocamada mista de lipídio / polímero das membranas, enquanto os QDNPs hidrofílicos adsorvidos nas monocamadas e se espalharam, indicando maior efeito no empacotamento da molécula na interface ar / água [140] . A incorporação de AuNPs funcionalizados com uma mistura de ligantes hidrofóbicos e hidrofílicos nas paredes dos lipossomas foi estudada. O resultado demonstrou que os ligantes hidrofóbicos interagem com o núcleo hidrofóbico da bicamada, enquanto os ligantes hidrofílicos interagem com a solução aquosa [141].

Efeito da modificação da superfície

Em aplicações biomédicas de NPs, a modificação química de superfície de NPs é uma etapa crítica utilizada para diminuir a toxicidade, aumentar a estabilidade e controlar e modular a internalização celular de NPs, daí seu destino biológico [142]. A funcionalização de superfície de NPs compreende predominantemente de PEG, o grupo carboxil negativo (–COOH), grupos funcionais neutros como grupos hidroxil (–OH) e o grupo amina positiva (–NH2). O incremento na quantidade de (–NH2) leva a uma carga superficial positiva aumentada e, portanto, aumenta a captação de NPs nas células [143,144,145,146]. Da mesma forma, grupos funcionais –COOH aumentam a carga negativa de NPs e, consequentemente, aumentam sua captação [144].

Tao et al. [147] projetaram bioconjugado de aptâmero NP funcionalizado com polidopamina para o direcionamento de tumor. Eles relataram que os NPs funcionalizados têm melhor eficácia de direcionamento em comparação com os NPs não funcionalizados, indicando taxas de captação celular mais altas para NPs funcionalizados, o que se traduz em efeito terapêutico aprimorado. Em outra pesquisa, NPs funcionalizados com ácido fólico demonstraram maior eficácia no direcionamento de células de câncer cervical do que NPs não funcionalizados [148]. O impacto do revestimento de superfície na toxicidade e absorção celular de AuNPs foi estudado por Qiu e colaboradores [90]. Eles revelaram que o revestimento da superfície é um fator chave na determinação da taxa de absorção celular, uma vez que AuNRs revestidos com poli (cloreto de dialildimetilamônio) mostraram uma maior eficiência na internalização pelas células.

As diferenças na captação celular de poliestireno puro (PS-NPs) e poliestireno funcionalizado com amino NPs foram investigadas por Jiang e colaboradores [149]. Os resultados demonstraram que os NPs de poliestireno funcionalizados com amino têm uma taxa de captação mais alta do que os PS-NPs, e os primeiros foram internalizados principalmente por via mediada por clatrina e os últimos por endocitose independente de clatrina. Esta diferença notável destaca o papel fundamental da modificação química de superfície nas interações celulares com NPs. Fulereno modificado de superfície, C ₆₀ ( C ( COOH ) ₂ ) ₂ NPs foram internalizados pelas células predominantemente via endocitose de maneira dependente do tempo, temperatura e energia. Endocitose mediada por clatrina foi considerada a via preferida para a internalização de C ₆₀ ( C ( COOH ) ₂ ) ₂ NPs [150].

Efeito da elasticidade

A elasticidade das jogadas de NPs é um fator intrínseco que influencia sua internalização pelas células. A elasticidade das NPs pode ser explicada por sua resistência às mudanças quando as forças são aplicadas sobre ela. Rigidez, dureza e rigidez são alguns dos termos que são sinônimos para descrever a elasticidade de NPs. Um índice de medição que está sendo usado para medir a elasticidade de NPs é o módulo de Young e a unidade de medição é Pascal (Pa). Com base nesta medição, um valor de módulo de Young mais alto denota elasticidade NPs mais alta e vice-versa. Exemplos de dispositivos analíticos ou instrumentos usados para medir este valor em NPs são microscópio de força atômica, reômetro e nanoindentador. NPs que têm valores elásticos mais altos são chamados de NPs duros e exemplos deles são NPs de ouro, pontos quânticos e NPs magnéticos. NPs que têm valores elásticos mais baixos são chamados de NPs suaves e exemplos destes são hidrogéis, lipossomas e polímeros biodegradáveis.

Numerosos estudos que se concentraram neste parâmetro de NP com respeito à captação celular relataram a preferência das células em internalizar NPs mais rígidos de forma mais eficiente em comparação com NPs mais suaves [151, 152]. Evidentemente, esta observação é atribuída ao menor gasto de energia geral pelas membranas no envolvimento de NPs mais rígidos em comparação com NPs mais macios, embora a energia deformacional necessária para envolver os NPs varie ao longo do processo de internalização. Além disso, a modelagem computacional do envoltório de membrana de NPs com elasticidade variável conduzida usando simulação de dinâmica molecular de granulação grossa (CGMD) concorda com a observação experimental sobre mudanças de energia deformacionais envolvidas na internalização de NPs rígidos e moles [153]. However, there are also other studies that have reported on softer NPs being internalized more efficiently than stiffer NPs [154, 155] and intermediate elastic NPs internalized more efficiently compared to either stiff or soft NPs [156]. Hence, tuning the elasticity of NPs for better cellular internalization could be a valuable tool in biomedical applications such as drug delivery. A potential application was demonstrated by Guo and coworkers, whereby accumulation of nanolipogels in tumour cells were enhanced primarily by controlling this parameter of NP [157].

Intracellular Trafficking of NPs

In the previous sections, different possible uptake pathways of NPs and the parameters that affect the efficacy of uptake has been discussed. Following uptake, the next crucial matter is the intracellular trafficking of NPs which determines its final destination within cellular compartments, its cytotoxicity and its therapeutic efficacy [158, 159]. After NPs are internalized by the cells, they will first encounter membrane-bound intracellular vesicles called early endosomes. Endosomes formed at the plasma membrane are categorized into three types; early endosomes, late endosomes and recycling endosomes [106, 160,161,162,163].

Early endosome ferries the cargo to the desired cellular destination. Part of the cargo is recycled to the plasma membrane via recycling endosomes. Early endosomes transform into late endosomes via maturation and differentiation process. The late endosomes will then integrate with lysosomes to form endolysosomal vesicles and hydrolytic enzymes contained within these vesicles degrade the trapped NPs [18, 164,165,166]. However, some NPs are able to escape this pathway and are released into the cytoplasm therefore bypassing the lysosomal degradation process [167,168,169]. Another intracellular degradation pathway which plays important role in the intracellular fate of NPs is an intracellular process called autophagy [170,171,172]. In this process, cytoplasmic contents will be surrounded by autophagosome and delivered to the lysosome to be broken down and recycled [173]. In addition, aggregated proteins and dysfunctional organelles are degraded by autophagy to maintain cellular homeostasis. It is necessary to consider this pathway since recent studies demonstrated that several NPs are capable of inducing autophagy [174,175,176,177,178].

The intracellular trafficking of Tat peptide-conjugated quantum dots (Tat-QDs) in live cells was studied by Ruan and co-workers [179]. Dynamic confocal imaging showed that Tat-QDs interacted with negatively charged CMs leading to its internalization by macropinocytosis. The QD containing vesicles were observed to be actively transported by molecular motors towards the perinuclear region known as the microtubule-organizing center (MTOC). Tat-QDs bind to cellular membrane structures such as filopodia and vesicle shedding results in releasing QD-containing vesicles from the tips of filopodia.

The uptake and intracellular fate of fluorescent carboxylated polystyrene particles (20 nm and 200 nm in diameter) were evaluated by applying it on hepatocyte [180]. It was found that the particles were internalized by hepatocytes in size, time and serum-dependent manner. The fate of the particles was studied and they were not observed in early endosomes or lysosomes, but only in the mitochondria of the hepatocyte. Particles accumulated inside bile canaliculi show that NPs can be eliminated within bile. A study on the uptake and intracellular fate of silver NPs into human mesenchymal stem cells demonstrated that they agglomerate in the perinuclear region [181]. It was observed by using fluorescent probes that particles are contained within endo-lysosomal structures but not in the cell nucleus, endoplasmic reticulum or Golgi complex. Confocal imaging of FITC conjugated titania nanotubes in mouse neural stem cells revealed that they have crossed the karyotheca entering the cell nucleus [182]. Single-walled carbon nanotubes were observed to enter the cytoplasm and localize in the cell nucleus leading to cell mortality [183]. Translocation of AuNRs towards the nucleus has also been reported [184].

Conclusões

The application of NPs in the modern world is growing at an exponential rate as the scientific enterprise is looking for novel ways to address current problems. NPs can be found as active ingredients in many formulations intended for human consumption, from cosmetics to processed foods. As its application increases in consumer products, so does human exposure to NPs. Hence, more research should be carried out to understand its potential hazards to humans and other living beings. In this review, we have looked at the current knowledge on the effects of NPs at a cellular level. Some of the topics discussed include cellular pathways of NPs and the influences of physiochemical properties of NPs on the uptake rate and uptake mechanism.

Abreviações

ATP:: Adenosine triphosphate
CAGR:: Compound annual growth rate
CM:: Membrana celular
FITC:: Fluorescein isothiocyanate
GPI:: Glycosylphosphatidylinositol
LDH:: Layered double hydroxide
MTOC:: Microtubule-organizing center
NP:: Nanoparticle
PEG:: Polietileno glicol

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