Insight tentang Serapan Seluler dan Perdagangan Nanopartikel Intraseluler
Abstrak
Ilmu nanopartikel dengan cepat mengubah lanskap berbagai bidang ilmiah dan mendefinisikan platform teknologi baru. Ini mungkin bahkan lebih jelas dalam bidang nanomedicine dimana nanopartikel telah digunakan sebagai alat untuk pengobatan dan diagnosis banyak penyakit. Namun, terlepas dari manfaat luar biasa yang diberikan, perangkap umum dari teknologi ini adalah potensi efek jangka pendek dan jangka panjangnya pada tubuh manusia. Untuk memahami masalah ini, banyak penelitian ilmiah telah dilakukan. Tinjauan ini mencoba menjelaskan beberapa studi ini dan hasilnya. Topik yang diperiksa dalam ulasan ini mencakup jalur serapan yang mungkin berbeda dari nanopartikel dan rute perdagangan intraseluler. Selain itu, pengaruh sifat fisikokimia nanopartikel seperti ukuran, bentuk, muatan dan kimia permukaan dalam menentukan mekanisme serapan dan fungsi biologis nanopartikel juga dibahas.
Pengantar
Nanopartikel (NP) adalah subkategori nanomaterial yang saat ini berada di garis depan penelitian mutakhir di hampir setiap bidang yang bisa dibayangkan karena sifatnya yang unik dan penerapan yang luar biasa [1,2,3,4]. Dalam laporan riset pasar teknologi berjudul “Global NP Market Outlook 2020” oleh RNCOS, dilaporkan bahwa pasar NP akan tumbuh pada tingkat pertumbuhan tahunan majemuk (CAGR) sebesar 16% selama 2015–2020. Teknologi NP telah menemukan ceruk unik di bidang biomedis dan bioteknologi dengan repertoar aplikasi yang berkembang pesat [5, 6]. Misalnya, NP telah diterapkan untuk pengiriman obat dan gen [7, 8] biodeteksi patogen [9], deteksi protein [10], rekayasa jaringan [11, 12], pencitraan dan penargetan tumor [13], penghancuran tumor melalui hipertermia [14] dan peningkatan kontras MRI [15].
Karena ukurannya yang kecil, NP dapat dengan mudah masuk ke dalam sel serta bertranslokasi melintasi sel, jaringan, dan organ. NP banyak digunakan dalam aplikasi biomedis karena mereka mampu melewati penghalang biologis dan masuk ke dalam sel untuk menjalankan fungsinya. Namun, seperti pedang bermata dua, potensi risiko (yaitu efek samping) dari NP juga muncul dari kemampuan ini [16, 17]. Terlepas dari ukurannya yang "kecil", NP sebagai molekul polar tidak dapat berdifusi melalui membran sel (CM). Karena CM sebagian besar permeabel terhadap molekul kecil dan non-polar, NP menggunakan jalur endositosis untuk memasuki sel [18, 19]. Cara NP memasuki sel merupakan faktor kunci dalam menentukan fungsi biomedis, biodistribusi, dan toksisitasnya. Dalam pengobatan nano, masuknya NP secara aman ke dalam sel merupakan langkah penting untuk mendapatkan kemanjuran terapeutik yang tinggi. Selanjutnya, perdagangan intraseluler dan nasib NP adalah proses penting untuk keberhasilan NP mengingat pembawa ini ditujukan untuk menargetkan kompartemen sub-seluler spesifik dan memberikan biomolekul spesifik seperti agen kontras, gen dan obat-obatan [18, 20,21,22] ]. Lebih penting lagi, induksi sitotoksisitas oleh NP ditentukan oleh jalur masuknya dan lokalisasi intraseluler. Oleh karena itu, memahami serapan seluler dan perdagangan NP intraseluler sangat penting dalam merancang nanomedicines yang aman dan efisien [23].
Serapan seluler, penargetan, dan perdagangan NP intraseluler dapat dioptimalkan dengan menyesuaikan sifat fisikokimia NP seperti ukuran, bentuk, dan sifat permukaan [24]. Oleh karena itu, pengetahuan tentang mekanisme yang mendasari yang terlibat dalam penyerapan seluler sangat penting untuk menilai nasib NP dan toksisitasnya. Ulasan ini menyoroti berbagai kemungkinan jalur serapan NP dan rute perdagangan intraselulernya. Selain itu, efek sifat fisikokimia NP seperti ukuran, bentuk, muatan, dan kimia permukaan pada internalisasinya oleh sel juga dibahas. Memahami sifat fisikokimia NP dalam kaitannya dengan mekanisme serapan selulernya akan memungkinkan kami untuk merancang NP fungsional yang sangat penting dalam aplikasi biomedis seperti memberikan muatan obat di lokasi aksi yang ditargetkan secara terkendali dengan efek toksik minimal pada jaringan sehat di sekitarnya. dan organ.
Jalur Serapan Seluler NP
CM, juga dikenal sebagai membran plasma, membungkus sitoplasma dengan memisahkan intraseluler dari cairan ekstraseluler. CM sangat penting karena melindungi komponen intraseluler, mempertahankan homeostasis sel, memberikan dukungan struktural dan mempertahankan komposisi sel [25,26,27,28,29]. CM terdiri dari fosfolipid yang tersusun dalam bilayer dengan protein tertanam. Lapisan ganda fosfolipid ini, dengan kepala hidrofilik dan ekor hidrofobiknya, memungkinkan masuknya biomolekul kecil. Lebih khusus, CM adalah penghalang selektif permeabel yang mengontrol perjalanan zat ke dalam sel [30, 31]. CM menggunakan mekanisme yang berbeda untuk pertukaran zat yang terutama dibagi menjadi dua kategori:transpor pasif dan transpor aktif. Gas seperti oksigen dan karbon dioksida, molekul hidrofobik seperti benzena dan molekul tak bermuatan seperti air dan etanol berdifusi melintasi membran dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke rendah. Jenis transpor yang berada di sepanjang gradien konsentrasi dan terjadi tanpa bantuan energi ini disebut transpor pasif. Sebaliknya, transpor aktif terjadi melawan gradien konsentrasi dengan menggunakan energi yang disediakan oleh adenosin trifosfat (ATP) [32,33,34,35,36].
Biomolekul polar atau bermuatan yang tidak dapat melewati membran plasma hidrofobik diinternalisasi oleh suatu bentuk transpor aktif yang disebut endositosis. Dalam proses ini, sel menelan bahan di dalam cairan ekstraseluler dengan invaginasi CM dan tunas di dalam sel, membentuk vesikel berbatas membran yang disebut endosom [37]. Endositosis pada dasarnya dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori utama:fagositosis dan pinositosis. Fagositosis (pemakan sel) adalah proses pengambilan puing-puing, bakteri, atau zat terlarut berukuran besar lainnya oleh sel mamalia khusus yang disebut fagosit (yaitu monosit, makrofag, dan neutrofil) [38, 39].
Integral dengan fagositosis adalah proses yang disebut opsonisasi dimana opsonin seperti imunoglobulin dan protein pelengkap melapisi bahan target untuk memicu fagosit kehadiran mereka dan untuk menginisialisasi aktivitas fagositosis [40]. Saat fagosit mulai mencerna bahan target, fagosit secara bersamaan akan merangsang pembentukan vesikel terikat membran yang disebut fagosom di mana bahan yang dicerna dikelompokkan dalam fagosit. Pada tahap akhir dari proses ini, fagosom akan menyatu dengan lisosom dan bahan dicerna pada pH asam oleh enzim hidrolitik yang terkandung dalam lumen lisosom [41,42,43].
Dalam semua jenis sel, partikel kecil dalam kisaran nanometer diinternalisasi oleh pinositosis [44]. Pada pinositosis, membran plasma “minum seluler” membentuk invaginasi untuk mengambil tetesan kecil cairan ekstraseluler termasuk molekul terlarut di dalamnya. Pinositosis bukanlah proses yang membedakan dan terjadi di hampir semua sel secara terus menerus terlepas dari kebutuhan sel. Substansi yang ditangkap terjepit menjadi vesikel kecil yang disebut pinosom yang menyatu dengan lisosom untuk menghidrolisis atau memecah isinya [45, 46]. Fagositosis dan pinositosis dapat dibedakan berdasarkan ukuran vesikel endositosisnya; yang pertama mencakup penyerapan partikel besar oleh vesikel besar dengan ukuran 250 nm, dan yang terakhir mencakup penyerapan cairan melalui vesikel kecil dengan ukuran dalam kisaran beberapa nanometer hingga ratusan nanometer [42, 47]. Pinositosis dapat disubkategorikan menjadi endositosis yang dimediasi clathrin, endositosis yang dimediasi caveolae, endositosis dan macropinocytosis yang tidak tergantung pada clathrin dan caveolae [48, 49].
Endositosis yang dimediasi clathrin adalah mekanisme masuk seluler untuk menginternalisasi molekul tertentu ke dalam sel. Rute masuk ini membantu sel untuk mengambil komponen membran plasma dan nutrisi termasuk kolesterol oleh reseptor lipoprotein densitas rendah dan besi oleh reseptor transferin [50,51,52,53,54,55,56]. Dalam proses ini, ligan tertentu dalam cairan ekstraseluler mengikat reseptor pada permukaan CM membentuk kompleks ligan-reseptor. Kompleks reseptor ligan ini bergerak ke wilayah khusus CM yang kaya akan klatrin, di mana mereka ditelan melalui pembentukan vesikel berlapis klatrin. Begitu berada di dalam sel, lapisan clathrin di bagian luar vesikel dikeluarkan sebelum menyatu dengan endosom awal. Kargo dalam endosom awal akhirnya akan mencapai lisosom melalui jalur endo-lisosom [40, 57,58,59,60]. Setiap jenis NP diinternalisasi oleh sel melalui jalur serapan istimewa. Misalnya, NP terdiri dari poli(asam laktat-ko-glikolat), D,L-polilaktida dan poli(etilena glikolko-laktida) dan silika (SiO2 ) berbasis nanomaterial diinternalisasi oleh jalur endositosis yang dimediasi clathrin [61]. NP lipid padat berbasis kumarin diinternalisasi oleh sel melalui jalur yang tidak bergantung pada energi karena struktur NP ini mirip dengan CM. Semua NP berbasis lipid memanfaatkan jalur endositosis yang dimediasi clathrin [62]. NP emas berlapis herceptin memasuki sel melalui endositosis yang diperantarai reseptor melalui reseptor membran ErbB2 [63].
Endositosis yang dimediasi caveolae adalah rute masuk seluler yang melibatkan invaginasi membran berbentuk labu yang disebut caveolae (gua kecil). Caveolae hadir dalam sel endotel, epitel, adiposit, otot dan sel fibroblas [64,65,66,67]. Ukuran caveolae biasanya berkisar 50-80 nm dan terdiri dari protein membran caveolin-1 yang memberi mereka struktur berbentuk labu [68,69,70,71]. Endositosis yang bergantung pada caveolae terlibat dalam pensinyalan sel dan regulasi protein membran, lipid dan asam lemak [61, 64, 67]. Setelah caveolae terlepas dari membran plasma, mereka menyatu dengan kompartemen sel yang disebut caveosomes yang ada pada pH netral. Caveosom mampu melewati lisosom dan karenanya melindungi isinya dari enzim hidrolitik dan degradasi lisosom. Oleh karena itu, patogen termasuk virus dan bakteri menggunakan jalur masuk ini untuk mencegah degradasi. Karena muatan yang diinternalisasi ke dalam sel oleh mekanisme yang bergantung pada caveolin tidak berakhir di lisosom, jalur ini digunakan dalam pengobatan nano [54, 72,73,74].
Endositosis yang tidak bergantung pada clathrin dan caveolae terjadi pada sel yang kekurangan clathrin dan caveolin. Jalur ini digunakan oleh hormon pertumbuhan, cairan ekstraseluler, protein terkait glikosilfosfatidilinositol (GPI) dan interleukin-2 untuk masuk ke dalam sel. Misalnya, asam folat yang menggunakan jalur independen clathrin dan caveolae untuk memasuki sel [58, 72, 75,76,77,78,79] terkonjugasi ke NP dan polimer yang digunakan dalam sistem penghantaran obat dan sebagai agen pencitraan [53 , 80, 81]. Makropinositosis adalah jenis mekanisme pinositosis di mana sel mengambil volume tinggi cairan ekstraseluler dengan membentuk vesikel besar (0,5-10 m) yang disebut makropinosom [82,83,84,85]. Makropinositosis adalah jalur untuk menginternalisasi sel apoptosis dan nekrotik, bakteri dan virus serta presentasi antigen. Jalur ini dapat menginternalisasi NP berukuran mikron yang tidak mungkin dibawa ke dalam sel oleh sebagian besar jalur lainnya. Makropinositosis dapat terjadi di hampir semua sel kecuali sel endotel pembuluh darah mikro otak [86,87,88,89]. NP masuk ke dalam sel melalui salah satu rute endositosis ini seperti yang digambarkan pada Gambar 1.
Masuknya NP ke dalam sel menggunakan jalur endositosis yang berbeda. a Makropinositosis dan fagositosis. b Endositosis yang dimediasi clathrin, endositosis independen clathrin-caveolin, dan endositosis yang dimediasi caveolae
Pengaruh Sifat Fisikokimia NP pada Serapan Seluler
Mempelajari pengaruh sifat fisikokimia NP seperti ukuran, bentuk, muatan permukaan, hidrofobisitas/hidrofilisitas permukaan dan fungsionalisasi permukaan pada serapan seluler sangat penting karena parameter ini secara langsung mempengaruhi tingkat serapan, rute endositosis serta sitotoksisitas NP. [90, 91]. Faktor fisikokimia yang mempengaruhi serapan NP seluler diilustrasikan pada Gambar. 2. Pada bagian berikut, dampak parameter ini pada interaksi sel-NP dibahas.
Faktor fisikokimia yang mempengaruhi serapan NP seluler. a Muatan permukaan, b bentuk, c ukuran dan d kimia permukaan
Pengaruh Ukuran
Ukuran NP merupakan faktor kunci dalam menentukan efisiensi serapan seluler [92] serta potensi toksiknya pada sel hidup [24]. Selain itu, ukuran NP ditemukan memainkan peran utama dalam menentukan jalur serapan juga. NP kecil dengan ukuran mulai dari beberapa hingga beberapa ratus nanometer memasuki sel melalui pinositosis atau makropinositosis. NP dalam kisaran ukuran 250 nm hingga 3 m telah terbukti memiliki fagositosis in vitro yang optimal, sedangkan NP dengan kisaran ukuran 120-150 nm diinternalisasi melalui endositosis yang dimediasi clathrin atau caveolin, dan ukuran maksimum NP menggunakan jalur ini dilaporkan 200 nm [47, 93]. Dalam jalur yang dimediasi caveolae, ukuran caveolae menghalangi penyerapan NP yang lebih besar [16, 17]. Jenis NP tertentu dapat menggunakan beberapa jalur endositik tergantung pada ukurannya.
Beberapa penelitian telah menunjukkan bahwa untuk serapan NP seluler, ada ukuran optimal 50 nm di mana NP diinternalisasi lebih efisien dan memiliki tingkat serapan yang lebih tinggi. Serapan NP terbukti menurun untuk partikel yang lebih kecil (sekitar 15-30 nm) atau partikel yang lebih besar (sekitar 70-240 nm) [94,95,96,97,98,99]. Selain itu, NP mulai dalam ukuran 30-50 nm berinteraksi secara efisien dengan reseptor CM dan selanjutnya diinternalisasi melalui endositosis yang dimediasi reseptor [97]. Dalam aplikasi penghantaran obat NP, perhatian utama adalah untuk mencegah NP dieliminasi oleh sistem retikuloendotelial dan untuk memperpanjang waktu sirkulasinya dalam darah, sehingga meningkatkan bioavailabilitas pada target. Dalam hal ini, peningkatan ukuran NP akan menyebabkan peningkatan tingkat pembersihan [100.101.102.103.104.105]. Oleh karena itu, memahami peran ukuran NP dalam penyerapan seluler sangat penting untuk merancang NP yang efektif dan aman untuk aplikasi medis.
Meskipun penelitian yang berbeda telah menyelidiki hubungan antara ukuran NP dan jalur serapan, hasil yang terungkap selalu tidak konsisten [93, 106.107.108.109]. Kontradiksi ini dapat dikaitkan dengan kompleksitas pengontrolan parameter NP lainnya selama proses pengontrolan ukuran. Selain itu, ukuran NP yang diukur setelah sintesis dapat mengalami perubahan selama studi in vitro dan in vivo karena aglomerasi dan agregasi yang pada gilirannya dapat mempengaruhi jalur internalisasi seluler [110, 111]. Dampak ukuran partikel pada jalur serapan seluler dalam sel B16 non-fagositik diselidiki dengan menggunakan berbagai ukuran manik-manik lateks fluoresen dalam kisaran 50-1000 nm [93]. Hasilnya telah menunjukkan bahwa mekanisme internalisasi manik-manik ini sangat bergantung pada ukuran partikel. Secara khusus, manik-manik dengan ukuran 200 nm atau kurang diambil oleh lubang berlapis klatrin sedangkan manik-manik yang lebih besar diinternalisasi oleh endositosis yang dimediasi caveolae. Lai dkk [16] telah menemukan bahwa NP polimer kecil dengan ukuran kurang dari 25 nm menggunakan mekanisme baru untuk mencapai daerah perinuklear sel melalui vesikel non-degradatif di luar jalur endo/lisosom. Jalur ini tidak diperantarai oleh klatrin dan non-caveola, serta tidak bergantung pada kolesterol.
Penyerapan NP emas (Au) dengan ukuran berbeda (2 hingga 100 nm) yang terkonjugasi dengan Herceptin-AuNPs oleh sel SK-BR-3 terbukti bergantung pada ukuran. Internalisasi seluler tertinggi diamati untuk NP dalam rentang ukuran 25-50 nm [63]. Dalam rute masuk ini, ukuran NP ditemukan menjadi penentu dalam pengikatan dan aktivasi reseptor membran dan ekspresi protein akhirnya. Pengaruh variasi dalam ukuran dan bentuk AuNPs koloid pada serapan intraseluler dinilai [112]. AuNP berukuran 14, 50, dan 74 nm dengan bentuk sferis dan batang diinkubasi dengan sel HeLa. Ditemukan bahwa serapan NP sangat tergantung pada ukuran dan bentuknya dan partikel dengan ukuran 50 nm menunjukkan tingkat serapan tertinggi. Selain itu, penyerapan AuNPs bulat adalah 500% lebih banyak daripada NP berbentuk batang dengan ukuran yang sama. Shan dkk. [113] menyelidiki kekuatan yang bergantung pada ukuran dari endositosis AuNPs dengan diameter 4, 12 dan 17 nm oleh sel HeLa. Hasilnya mengungkapkan bahwa baik nilai serapan maupun gaya tak terikat meningkat sesuai ukuran AuNPs. Penyerapan SiO2 NP dengan ukuran berbeda (50, 100 dan 300 nm) oleh sel A549 (sel epitel paru) telah dipelajari melalui kombinasi flow cytometry, fluoresensi dan mikroskop elektron. Para peneliti ini telah menunjukkan bahwa penyerapan SiO2 NP telah berkurang berdasarkan ukuran [114].
Efek Bentuk
Selain ukuran, bentuk TN juga memainkan peran penting dalam jalur serapan serta perdagangan TN. Chithrani dkk. [112] mempelajari efek bentuk koloid AuNPs pada penyerapan sel HeLa. Hasilnya mengungkapkan bahwa AuNPs bulat memiliki serapan lima kali lipat lebih tinggi daripada AuNPs berbentuk batang. Dalam karya lain, peneliti yang sama menyelidiki tingkat penyerapan AuNP berlapis transferrin berbentuk bola dan berbentuk batang pada tiga garis sel yang berbeda; sel STO, sel HeLa dan sel SNB19 [94]. Mereka mengamati bahwa AuNPs bulat diinternalisasi oleh semua garis sel pada tingkat yang lebih tinggi daripada AuNPs berbentuk batang.
Untuk menetapkan efek bentuk in vivo, Geng dan rekan kerja [115] menggunakan filomicelles untuk mengevaluasi perbedaan dalam transportasi dan perdagangan filamen fleksibel dengan bola pada hewan pengerat. Hasilnya mengungkapkan bahwa filomicelles tetap dalam sirkulasi sekitar sepuluh kali lebih banyak daripada rekan-rekan bulat. Selain itu, filomicelles bola diinternalisasi oleh sel lebih mudah daripada filamen yang lebih panjang. Gratton dan rekan kerja [106] mendemonstrasikan efek bentuk partikel hidrogel monodispersi pada penyerapan ke dalam sel HeLa. Mereka telah menemukan bahwa NP berbentuk batang memiliki tingkat internalisasi tertinggi dibandingkan dengan bola, silinder dan kubus. Dalam studi lain, dampak bentuk NP pada serapan sel diselidiki dengan menggunakan NP polistiren (PS) berbentuk cakram, bulat dan berbentuk batang pada sel Caco-2. Hasilnya menunjukkan bahwa NP batang dan berbentuk cakram diinternalisasi dua kali lipat lebih tinggi daripada NP bola. Mereka menyimpulkan bahwa penghantaran obat yang dimediasi NP dapat ditingkatkan dengan mempertimbangkan bentuk NP [116].
Xu dan rekan kerja [117] mempelajari dampak bentuk pada serapan seluler dengan menyiapkan NP hidroksida ganda berlapis (LDH) dengan fluorescein isothiocyanate (FITC) dalam morfologi yang berbeda seperti lembaran heksagonal (lebar lateral 50–150 nm dan 10–20 nm tebal) dan batang (lebar 30–60 nm dan panjang 100–200 nm). Semua morfologi diambil melalui endositosis yang dimediasi clathrin. Nanosphere LDH-FITC dipertahankan dalam sitoplasma, sedangkan nanorod LDH-FITC dipindahkan ke nukleus oleh mikrotubulus. Dasgupta dkk. menerapkan [118] simulasi untuk menyelidiki peran bentuk NP pada serapan seluler. Mereka telah mensimulasikan pembungkus membran dari NP berbentuk nanorod dan nanocube. Untuk partikel seperti batang, mereka menemukan keadaan endositosis yang stabil dengan fraksi pembungkus yang kecil dan tinggi; peningkatan rasio aspek tidak diinginkan untuk pembungkusan lengkap. Nangia dan Sureshkumar [119] telah komputerisasi efek bentuk pada tingkat translokasi NP dengan menerapkan teknik simulasi dinamika molekul canggih. Pengungkapan utama dari penelitian ini adalah variasi yang signifikan dalam tingkat translokasi NP berbentuk kerucut, kubus, batang, beras, piramida, dan bola.
Pengaruh Muatan Permukaan
Faktor penting lain yang mempengaruhi serapan NP seluler adalah muatan permukaan. Dalam dekade terakhir, modifikasi permukaan nano telah digunakan untuk merekayasa muatan permukaan NP menjadi kationik atau anionik [92]. CM bermuatan negatif meningkatkan penyerapan NP bermuatan positif. Secara khusus, NP bermuatan positif memiliki internalisasi lebih tinggi daripada NP netral dan bermuatan negatif [47, 120]. Namun, penyerapan NP bermuatan positif dapat mengganggu integritas CM dan menyebabkan peningkatan toksisitas [121, 122]. Secara umum, NP bermuatan positif menginduksi kematian sel [123, 124]. Menariknya, NP bermuatan netral akan menurunkan serapan seluler dibandingkan dengan NP bermuatan negatif [110, 125,126.127]. Selain itu, internalisasi NP bermuatan negatif menyebabkan gelasi membran, sedangkan NP bermuatan positif menyebabkan fluiditas di CM [128, 129]. Selain tingkat penyerapan NP, muatan permukaan juga mempengaruhi mekanisme penyerapan. Lebih khusus, NP bermuatan positif terutama diinternalisasi oleh sel melalui makropinositosis sedangkan endositosis clathrin-/caveolae-independen adalah mekanisme untuk penyerapan NP bermuatan negatif [130]. Jalur serapan seluler bervariasi ketika permukaan AuNPs dilapisi oleh molekul organik. Misalnya, AuNPs polos yang bermuatan positif, diinternalisasi melalui makropinositosis dan clathrin dan endositosis yang dimediasi caveolin, sedangkan AuNP yang dilapisi polietilen glikol (PEG) bermuatan negatif terutama diinternalisasi melalui endositosis yang dimediasi caveolin dan/atau clathrin [131].
Li dan Gu [132] mempelajari interaksi NP bermuatan dan netral dengan CM melalui simulasi dinamika molekul. Ditemukan bahwa NP bermuatan memiliki adhesi yang lebih baik ke CM dibandingkan dengan NP netral. Selain itu, dengan meningkatkan kerapatan muatan NP, mereka dapat sepenuhnya dibungkus oleh membran. Kelompok penelitian lain menggunakan simulasi dinamika molekuler untuk menyelidiki interaksi AuNP kationik dan anionik dengan CM. Hasilnya telah mengungkapkan bahwa gangguan pada CM karena penetrasi AuNPs meningkat karena densitas muatan AuNPs ditingkatkan [133]. Temuan ini menyarankan cara mengendalikan interaksi antara sel dan AuNP dengan memanipulasi kepadatan muatan permukaan AuNPs untuk mengoptimalkan penyerapannya sambil meminimalkan sitotoksisitas yang merupakan karakteristik penting untuk setiap NP yang sedang dipertimbangkan untuk aplikasi biomedis.
Li dan Malmstadt [134] mempelajari interaksi PS-NPs bermuatan positif dan negatif dengan membran biologis. Hasil penelitian menunjukkan bahwa interaksi elektrostatik yang kuat antara NP kationik dan gugus fosfat membran menyebabkan peningkatan pengikatan NP-membran dan tegangan permukaan membran yang pada gilirannya menghasilkan pembentukan pori-pori. Tingkat penyerapan AuNPs bermuatan positif ke dalam sel SK-BR-3 dilaporkan lima kali lipat lebih tinggi daripada AuNPs bermuatan negatif. Para peneliti ini juga telah mengeksplorasi bahwa AuNPs bermuatan positif diinternalisasi oleh jalur non-endositosis sementara AuNPs bermuatan negatif diambil oleh sel melalui jalur endositosis [135].
Hauck dkk. [107] menyelidiki serapan nanorod emas (AuNRs) dengan kisaran ukuran 18 hingga 40 nm dan muatan permukaan dalam kisaran + 37 mV hingga 69 mV oleh sel HeLa. Hasil penelitian menunjukkan bahwa untuk semua konsentrasi AuNR, internalisasi tertinggi ke dalam sel HeLa adalah dengan muatan permukaan + 37 mV dan internalisasi terendah pada 69 mV. Huhn dkk [136] menilai interaksi yang bergantung pada muatan dari AuNP koloid dengan garis sel yang berbeda seperti sel fibroblas 3T3, sel progenitor saraf murine C17.2 dan sel endotel vena umbilikalis manusia. Hasilnya menunjukkan bahwa untuk semua lini sel kationik AuNPs memiliki serapan lebih tinggi daripada rekan anionik. Mereka menyimpulkan bahwa serapan sel sangat tergantung pada tanda muatan. Selain itu, studi sitotoksisitas menunjukkan bahwa sebagai konsekuensi dari penyerapan yang lebih tinggi untuk NP bermuatan positif, mereka menunjukkan toksisitas yang lebih tinggi daripada yang bermuatan negatif.
Efek Hidrofobisitas
Hidrofobisitas NP merupakan faktor penentu dalam interaksi mereka dengan CM [92, 137]. Beberapa penelitian menunjukkan dampak hidrofobisitas NP pada interaksinya dengan CM. Li dkk. [138] mempelajari efek hidrofobisitas / hidrofilisitas NP pada interaksi dengan CM dengan menggunakan simulasi dinamika molekul. Hasilnya telah mengungkapkan bahwa NP hidrofobik menciptakan inklusi dalam CM sementara NP hidrofilik ditemukan teradsorpsi ke CM. Dalam penelitian lain, pendekatan simulasi diterapkan untuk menyelidiki pengaruh hidrofobisitas pada interaksi sel NP. Diamati bahwa NP hidrofilik dibungkus, sedangkan NP hidrofobik tertanam dalam inti hidrofobik bagian dalam bilayers dengan langsung menembus ke dalam membran [139].
Interaksi QDNP dengan membran lipid/polimer campuran dinilai dengan mengubah permukaan hidrofobisitas NP. Diamati bahwa NP hidrofobik telah terletak di dalam domain polimer dalam lapisan lipid/polimer campuran membran, sedangkan QDNP hidrofilik teradsorpsi ke lapisan tunggal dan menyebar ke seluruh, menunjukkan efek yang lebih tinggi pada pengemasan molekul pada antarmuka udara/air [140] . Penggabungan AuNP yang difungsikan dengan ligan hidrofobik dan hidrofilik campuran ke dalam dinding liposom dipelajari. Hasilnya menunjukkan bahwa ligan hidrofobik berinteraksi dengan inti hidrofobik bilayer, sedangkan ligan hidrofilik berinteraksi dengan larutan berair [141].
Efek Modifikasi Permukaan
Dalam aplikasi biomedis NP, modifikasi kimia permukaan NP adalah langkah penting yang digunakan untuk mengurangi toksisitas, meningkatkan stabilitas dan untuk mengontrol dan memodulasi internalisasi seluler NP, karenanya nasib biologisnya [142]. Fungsionalisasi permukaan NP sebagian besar terdiri dari PEG, gugus karboksil negatif (–COOH), gugus fungsi netral seperti gugus hidroksil (–OH), dan gugus amina positif (–NH2). Peningkatan jumlah (-NH2) menyebabkan peningkatan muatan permukaan positif, dan karenanya meningkatkan penyerapan NP ke dalam sel [143.144.145.146]. Demikian pula, gugus fungsi –COOH meningkatkan muatan negatif NP dan karenanya meningkatkan penyerapannya [144].
Tao dkk. [147] telah merancang biokonjugat NP-aptamer yang difungsikan polidopamin untuk penargetan tumor. Mereka telah melaporkan bahwa NP yang difungsikan memiliki kemanjuran penargetan yang lebih baik dibandingkan dengan NP yang tidak difungsikan, menunjukkan tingkat serapan seluler yang lebih tinggi untuk NP yang difungsikan yang diterjemahkan menjadi efek terapeutik yang ditingkatkan. Dalam penelitian lain, NP yang difungsikan asam folat menunjukkan kemanjuran yang lebih tinggi dalam penargetan sel kanker serviks daripada NP yang tidak difungsikan [148]. Dampak pelapisan permukaan pada toksisitas dan serapan seluler AuNP dipelajari oleh Qiu dan rekan kerja [90]. Mereka telah mengungkapkan bahwa pelapisan permukaan merupakan faktor kunci dalam menentukan tingkat penyerapan seluler karena AuNR yang dilapisi poli (dialildimetil amonium klorida) menunjukkan efisiensi yang lebih tinggi dalam internalisasi oleh sel.
Perbedaan dalam penyerapan seluler polistiren murni (PS-NP) dan polistirena NP yang difungsikan amino diselidiki oleh Jiang dan rekan kerja [149]. Hasilnya telah menunjukkan bahwa NP polistiren yang difungsikan amino memiliki tingkat serapan yang lebih tinggi daripada PS-NP, dan yang pertama diinternalisasi terutama melalui jalur yang dimediasi clathrin dan yang terakhir melalui endositosis yang tidak bergantung pada clathrin. Perbedaan luar biasa ini menyoroti peran kunci dari modifikasi kimia permukaan dalam interaksi seluler dengan NP. Fullerene yang dimodifikasi permukaan, C60( C( COOH)2)2 NP diinternalisasi oleh sel-sel terutama melalui endositosis dengan cara yang bergantung pada waktu, suhu, dan energi. Endositosis yang dimediasi clathrin ditemukan sebagai jalur yang disukai untuk internalisasi C60( C( COOH)2)2 NP [150].
Pengaruh Elastisitas
Elastisitas NP memainkan merupakan faktor intrinsik dalam mempengaruhi internalisasi oleh sel. Elastisitas NP dapat dijelaskan dengan ketahanannya terhadap perubahan ketika gaya diterapkan padanya. Kekakuan, kekerasan dan kekakuan adalah beberapa istilah yang sinonim dalam menggambarkan elastisitas NP. Indeks pengukuran yang digunakan untuk mengukur elastisitas NP adalah modulus Young dan satuan pengukurannya adalah Pascal (Pa). Berdasarkan pengukuran ini, nilai modulus Young yang lebih tinggi menunjukkan elastisitas NP yang lebih tinggi dan sebaliknya. Contoh perangkat atau instrumen analitik yang digunakan untuk mengukur nilai ini pada NP adalah mikroskop gaya atom, rheometer, dan nanoindentor. NP yang memiliki nilai elastisitas lebih tinggi disebut NP keras dan contohnya adalah NP emas, titik kuantum, dan NP magnetik. NP yang memiliki nilai elastisitas lebih rendah disebut NP lunak dan contohnya adalah hidrogel, liposom, dan polimer yang dapat terurai secara hayati.
Sejumlah penelitian yang berfokus pada parameter NP ini sehubungan dengan serapan seluler telah melaporkan preferensi sel untuk menginternalisasi NP yang lebih kaku secara lebih efisien dibandingkan dengan NP yang lebih lunak [151, 152]. Jelas, pengamatan ini dikaitkan dengan pengeluaran energi keseluruhan yang lebih rendah oleh membran dalam membungkus NP yang lebih kaku dibandingkan dengan NP yang lebih lembut meskipun energi deformasi yang diperlukan untuk membungkus NP bervariasi selama proses internalisasi. Selanjutnya, pemodelan komputasi pembungkus membran NP dengan berbagai elastisitas yang dilakukan dengan menggunakan simulasi dinamika molekul berbutir kasar (CGMD) sesuai dengan pengamatan eksperimental mengenai perubahan energi deformasi yang terlibat dalam internalisasi NP kaku dan lunak [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].
Kesimpulan
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.
