Aperçu de l'absorption cellulaire et du trafic intracellulaire de nanoparticules

Introduction

Les nanoparticules (NP) sont une sous-catégorie de nanomatériaux qui sont actuellement à la pointe de la recherche de pointe dans presque tous les domaines imaginables en raison de leurs propriétés uniques et de leur formidable applicabilité [1,2,3,4]. Dans un rapport d'étude de marché sur les technologies intitulé « Global NP Market Outlook 2020 » par le RNCOS, il a été signalé que le marché des NP augmenterait à un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 16 % au cours de la période 2015-2020. La technologie NP a trouvé une niche unique dans le domaine de la biomédecine et de la biotechnologie avec son répertoire d'applications en plein essor [5, 6]. Par exemple, les NP ont été appliquées pour l'administration de médicaments et de gènes [7, 8], la biodétection d'agents pathogènes [9], la détection de protéines [10], l'ingénierie tissulaire [11, 12], l'imagerie et le ciblage des tumeurs [13], la destruction des tumeurs via hyperthermie [14] et rehaussement de contraste IRM [15].

En raison de leur petite taille, les NP peuvent facilement pénétrer dans les cellules ainsi que se déplacer à travers les cellules, les tissus et les organes. Les NP sont largement utilisées dans les applications biomédicales car elles sont capables de traverser la barrière biologique et d'entrer dans la cellule pour exercer leur fonction. Cependant, comme une arme à double tranchant, les risques potentiels (c'est-à-dire les effets indésirables) de la NP découlent également de cette capacité [16, 17]. Malgré leur « petite » taille, les NP en tant que molécules polaires ne sont pas capables de diffuser à travers la membrane cellulaire (CM). Étant donné que le CM est principalement perméable aux petites molécules non polaires, les NP utilisent des voies endocytotiques pour pénétrer dans les cellules [18, 19]. La façon dont les NP pénètrent dans la cellule est un facteur clé pour déterminer leurs fonctions biomédicales, leur biodistribution et leur toxicité. En nanomédecine, l'entrée sûre des NP dans les cellules est une étape cruciale pour obtenir une efficacité thérapeutique élevée. De plus, le trafic intracellulaire et le destin des NP sont un processus vital pour le succès des NP étant donné que ces transporteurs visent à cibler un compartiment subcellulaire spécifique et à délivrer des biomolécules spécifiques telles que des agents de contraste, des gènes et des médicaments [18, 20, 21, 22 ]. Plus important encore, l'induction de la cytotoxicité par les NP est déterminée par sa voie d'entrée et sa localisation intracellulaire. Par conséquent, la compréhension de l'absorption cellulaire et du trafic intracellulaire des NP est cruciale dans la conception de nanomédicaments sûrs et efficaces [23].

L'absorption cellulaire, le ciblage et le trafic intracellulaire des NP peuvent être optimisés en ajustant les propriétés physico-chimiques des NP telles que la taille, la forme et les propriétés de surface [24]. Par conséquent, la connaissance des mécanismes sous-jacents impliqués dans l'absorption cellulaire est cruciale pour évaluer le devenir des NP et sa toxicité. Cette revue met en évidence les différentes voies d'absorption possibles des NP et ses voies de trafic intracellulaire. De plus, l'effet des propriétés physico-chimiques du NP telles que la taille, la forme, la charge et la chimie de surface sur son internalisation par les cellules est également abordé. Comprendre les propriétés physico-chimiques des NP par rapport à leur mécanisme d'absorption cellulaire nous permettra de concevoir des NP fonctionnelles cruciales dans les applications biomédicales telles que la livraison de charges utiles de médicaments sur le site d'action ciblé de manière contrôlée avec un minimum d'effets toxiques sur les tissus sains environnants. et organes.

Voies d'absorption cellulaire des NP

Le CM, également connu sous le nom de membrane plasmique, renferme le cytoplasme en détachant le liquide intracellulaire du liquide extracellulaire. La CM est extrêmement importante car elle protège les composants intracellulaires, maintient l'homéostasie cellulaire, confère un support structurel et conserve la composition de la cellule [25,26,27,28,29]. CM se compose de phospholipides disposés dans une bicouche avec des protéines intégrées. Ces bicouches phospholipidiques, avec leurs têtes hydrophiles et leurs queues hydrophobes, permettent l'entrée de petites biomolécules. Plus précisément, le CM est une barrière sélectivement perméable qui contrôle le passage des substances dans la cellule [30, 31]. Le CM utilise différents mécanismes d'échange de substances qui se divisent principalement en deux catégories :le transport passif et le transport actif. Des gaz tels que l'oxygène et le dioxyde de carbone, des molécules hydrophobes telles que le benzène et des molécules non chargées telles que l'eau et l'éthanol diffusent à travers la membrane des régions de concentration plus élevée à plus faible. Ce type de transport qui se fait le long du gradient de concentration et se produit sans assistance d'énergie est appelé transport passif. En revanche, le transport actif se produit contre le gradient de concentration en utilisant l'énergie fournie par l'adénosine triphosphate (ATP) [32,33,34,35,36].

Les biomolécules polaires ou chargées qui ne peuvent pas traverser la membrane plasmique hydrophobe sont internalisées par une forme de transport actif appelée endocytose. Dans ce processus, la cellule engloutit les matériaux à l'intérieur du liquide extracellulaire par invagination de CM et bourgeonne à l'intérieur de la cellule, formant une vésicule délimitée par une membrane appelée endosome [37]. L'endocytose peut être essentiellement classée en deux catégories principales :la phagocytose et la pinocytose. La phagocytose (manger les cellules) est le processus d'absorption de débris, de bactéries ou d'autres solutés de grande taille par des cellules de mammifères spécialisées appelées phagocytes (c'est-à-dire des monocytes, des macrophages et des neutrophiles) [38, 39].

Un processus appelé opsonisation fait partie intégrante de la phagocytose par lequel les opsonines telles que les immunoglobulines et les protéines du complément enrobent les matériaux cibles pour déclencher les phagocytes de leur présence et initialiser l'activité phagocytotique [40]. Lorsque le phagocyte commence à ingérer le matériau cible, il stimulera simultanément la formation d'une vésicule liée à la membrane appelée phagosome dans laquelle les matériaux ingérés sont compartimentés dans le phagocyte. Aux dernières étapes de ce processus, le phagosome fusionnera avec le lysosome et les matériaux sont digérés à pH acide par les enzymes hydrolytiques contenues dans la lumière lysosomale [41,42,43].

Dans tous les types de cellules, de petites particules de l'ordre du nanomètre sont internalisées par pinocytose [44]. Dans la pinocytose, la membrane plasmique de « boisson cellulaire » forme une invagination pour absorber une petite goutte de liquide extracellulaire contenant des molécules dissoutes. La pinocytose n'est pas un processus discriminant et elle se produit dans presque toutes les cellules de manière continue, quels que soient les besoins de la cellule. Les substances saisies sont pincées en petites vésicules appelées pinosomes qui fusionnent avec les lysosomes pour hydrolyser ou décomposer le contenu [45, 46]. La phagocytose et la pinocytose se distinguent par la taille de leurs vésicules endocytotiques; les premiers englobent l'absorption de grosses particules par de grandes vésicules d'une taille de 250 nm, et les seconds englobent l'absorption de fluides par de petites vésicules d'une taille comprise entre quelques nanomètres et des centaines de nanomètres [42, 47]. La pinocytose peut être classée en endocytose médiée par la clathrine, l'endocytose médiée par les cavéoles, l'endocytose indépendante de la clathrine et des cavéoles et la macropinocytose [48, 49].

L'endocytose médiée par la clathrine est le mécanisme d'entrée cellulaire permettant d'internaliser des molécules spécifiques dans les cellules. Cette voie d'entrée aide les cellules à absorber les composants de la membrane plasmique et les nutriments, notamment le cholestérol par le récepteur des lipoprotéines de basse densité et le fer par le récepteur de la transferrine [50,51,52,53,54,55,56]. Dans ce processus, des ligands particuliers dans le fluide extracellulaire se lient aux récepteurs à la surface du CM formant un complexe ligand-récepteur. Ce complexe ligand-récepteur se déplace vers une région spécialisée du CM riche en clathrine, où ils sont engloutis par la formation de vésicules recouvertes de clathrine. Une fois à l'intérieur de la cellule, les revêtements de clathrine à l'extérieur des vésicules sont expulsés avant de fusionner avec les endosomes précoces. La cargaison dans les endosomes précoces atteindra éventuellement les lysosomes via la voie endo-lysosomale [40, 57, 58, 59, 60]. Chaque type de NP est internalisé par la cellule via préférentiellement la voie d'absorption. Par exemple, les NP composées de poly(acide lactique-co-glycolique), de D,L-polylactide et de poly(éthylène glycolco-lactide) et de silice (SiO₂ Les nanomatériaux à base de ) sont internalisés par la voie endocytotique médiée par la clathrine [61]. Les NP lipidiques solides à base de coumarine sont internalisées par les cellules via une voie non dépendante de l'énergie, car la structure de ces NP est similaire à celle du CM. Toutes les NP à base de lipides utilisent la voie d'endocytose médiée par la clathrine [62]. Les NP d'or recouvertes d'herceptine pénètrent dans la cellule via une endocytose médiée par des récepteurs au moyen du récepteur membranaire ErbB2 [63].

L'endocytose médiée par les cavéoles est la voie d'entrée cellulaire qui implique des invaginations membranaires en forme de flacon appelées cavéoles (petites grottes). Les cavéoles sont présentes dans les cellules endothéliales, épithéliales, adipocytes, musculaires et fibroblastiques [64,65,66,67]. La taille des cavéoles varie généralement de 50 à 80 nm et sont composées de la protéine membranaire cavéoline-1 qui leur confère une structure en forme de flacon [68,69,70,71]. L'endocytose dépendante des cavéoles est impliquée dans la signalisation cellulaire et la régulation des protéines membranaires, des lipides et des acides gras [61, 64, 67]. Une fois que les cavéoles se sont détachées de la membrane plasmique, elles fusionnent avec un compartiment cellulaire appelé cavéosomes qui existe à pH neutre. Les cavéosomes sont capables de contourner les lysosomes et donc de protéger le contenu des enzymes hydrolytiques et de la dégradation lysosomale. Par conséquent, les agents pathogènes, y compris les virus et les bactéries, utilisent cette voie d'entrée pour empêcher la dégradation. Étant donné que la cargaison internalisée dans les cellules par un mécanisme dépendant de la cavéoline ne se retrouve pas dans le lysosome, cette voie est utilisée en nanomédecine [54, 72, 73, 74].

L'endocytose indépendante de la clathrine et des cavéoles se produit dans des cellules dépourvues de clathrine et de cavéoline. Cette voie est utilisée par les hormones de croissance, le liquide extracellulaire, les protéines liées au glycosylphosphatidylinositol (GPI) et l'interleukine-2 pour pénétrer dans les cellules. Par exemple, l'acide folique qui utilise des voies indépendantes de la clathrine et des cavéoles pour pénétrer dans les cellules [58, 72, 75, 76, 77, 78, 79] est conjugué aux NP et aux polymères utilisés dans les systèmes d'administration de médicaments et comme agents d'imagerie [53 , 80, 81]. La macropinocytose est un type de mécanisme de pinocytose dans lequel les cellules absorbent de grands volumes de liquide extracellulaire en formant une grande vésicule (0,5 à 10 m) appelée macropinosomes [82,83,84,85]. La macropinocytose est une voie d'internalisation des cellules, bactéries et virus apoptotiques et nécrotiques ainsi que la présentation de l'antigène. Cette voie peut internaliser des NP de la taille d'un micron qui ne peuvent pas être absorbées dans les cellules par la plupart des autres voies. La macropinocytose peut survenir dans presque toutes les cellules, à l'exception des cellules endothéliales des microvaisseaux cérébraux [86,87,88,89]. Les NP entrent dans la cellule via l'une de ces voies endocytotiques, comme illustré à la figure 1.

Entrée de NP dans la cellule en utilisant différentes voies endocytoses. un Macropinocytose et phagocytose. b Endocytose à médiation par la clathrine, endocytose indépendante de la clathrine-cavéoline et endocytose à médiation par les cavéoles

Effet des propriétés physicochimiques du NP sur l'absorption cellulaire

L'étude de l'effet des propriétés physico-chimiques des NP telles que la taille, la forme, la charge de surface, l'hydrophobie/hydrophilie de surface et la fonctionnalisation de la surface sur l'absorption cellulaire est cruciale car ces paramètres affectent directement le niveau d'absorption, la voie endocytotique ainsi que la cytotoxicité des NP. [90, 91]. Les facteurs physicochimiques qui affectent l'absorption cellulaire des NP sont illustrés à la figure 2. Dans la section suivante, l'impact de ces paramètres sur les interactions cellule-NP est discuté.

Facteurs physicochimiques qui affectent l'absorption cellulaire de NP. un Frais de surface, b forme, c taille et d chimie de surface

Effet de la taille

La taille des NP est un facteur clé pour déterminer l'efficacité de l'absorption cellulaire [92] ainsi que son potentiel toxique sur les cellules vivantes [24]. De plus, la taille de NP s'est avérée jouer un rôle majeur dans la détermination de la voie d'absorption. Les petites NPs avec des tailles allant de quelques à plusieurs centaines de nanomètres pénètrent dans les cellules par pino- ou macropinocytose. Il a été démontré que les NP d'une taille comprise entre 250 nm et 3 m ont une phagocytose in vitro optimale, tandis que les NP d'une taille comprise entre 120 et 150 nm sont internalisées via une endocytose médiée par la clathrine ou la cavéoline, et la taille maximale des NP employant cette voie a été signalé comme étant de 200 nm [47, 93]. Dans la voie médiée par les cavéoles, la taille des cavéoles entrave l'absorption de plus grandes NP [16, 17]. Un type particulier de NP peut utiliser plusieurs voies endocytaires en fonction de sa taille.

Plusieurs études ont indiqué que pour l'absorption cellulaire des NP, il existe une taille optimale de 50 nm à laquelle les NP sont internalisées plus efficacement et ont un taux d'absorption plus élevé. Il a été montré que l'absorption de NP diminuait pour les particules plus petites (environ 15-30 nm) ou les particules plus grosses (environ 70-240 nm) [94,95,96,97,98,99]. De plus, les NP de la taille de 30 à 50 nm interagissent efficacement avec les récepteurs CM et sont ensuite internalisées via une endocytose médiée par les récepteurs [97]. Dans l'application d'administration de médicaments de NP, la principale préoccupation est d'empêcher les NP d'être éliminées par le système réticulo-endothélial et de prolonger son temps de circulation dans le sang, améliorant ainsi la biodisponibilité au niveau de la cible. À cet égard, l'augmentation de la taille des NP entraînera une augmentation du taux de clairance [100,101,102,103,104,105]. Par conséquent, comprendre le rôle de la taille des NP dans l'absorption cellulaire est crucial pour concevoir des NP efficaces et sûres pour les applications médicales.

Bien que différentes études aient étudié la relation entre la taille des NP et les voies d'absorption, les résultats révélés ont toujours été incohérents [93, 106, 107, 108, 109]. Ces contradictions peuvent être liées à la complexité de contrôler d'autres paramètres de NP pendant le processus de contrôle de la taille. En plus de cela, les tailles des NP mesurées après synthèse peuvent subir des changements au cours des études in vitro et in vivo en raison de l'agglomération et de l'agrégation qui pourraient à leur tour affecter les voies d'internalisation cellulaire [110, 111]. L'impact de la taille des particules sur la voie d'absorption cellulaire dans les cellules B16 non phagocytaires a été étudié en utilisant différentes tailles de billes de latex fluorescentes dans la plage de 50 à 1000 nm [93]. Les résultats ont démontré que le mécanisme d'internalisation de ces billes repose de manière significative sur la taille des particules. En particulier, les billes d'une taille de 200 nm ou moins ont été absorbées par des fosses recouvertes de clathrine, tandis que les billes plus grosses ont été intériorisées par endocytose médiée par les cavéoles. Lai et ses collaborateurs [16] ont découvert que les petites NP polymères avec des tailles inférieures à 25 nm utilisent un nouveau mécanisme pour atteindre la région périnucléaire des cellules via une vésicule non dégradante en dehors de la voie endo/lysosomale. Cette voie est non médiée par la clathrine et non par les caveoles et indépendante du cholestérol.

L'absorption de NPs d'or (Au) de différentes tailles (2 à 100 nm) conjuguées avec Herceptin-AuNPs par les cellules SK-BR-3 s'est avérée dépendante de la taille. L'internalisation cellulaire la plus élevée a été observée pour les NP dans les plages de taille de 25 à 50 nm [63]. Dans cette voie d'entrée, la taille de la NP s'est avérée être le déterminant de la liaison et de l'activation des récepteurs membranaires et de l'expression éventuelle des protéines. L'effet de la variation de la taille et de la forme des AuNPs colloïdales sur l'absorption intracellulaire a été évalué [112]. Des AuNPs de taille 14, 50 et 74 nm avec une forme sphérique et en bâtonnet ont été incubées avec des cellules HeLa. Il a été constaté que l'absorption de NP dépend fortement de sa taille et de sa forme et que les particules d'une taille de 50 nm présentaient le taux d'absorption le plus élevé. De plus, l'absorption des AuNPs sphériques était 500 % supérieure à celle des NPs en forme de bâtonnets de taille similaire. Shan et al. [113] ont étudié la force dépendante de la taille de l'endocytose des AuNPs avec des diamètres de 4, 12 et 17 nm par des cellules HeLa. Les résultats ont révélé que les valeurs de force d'absorption et de déliaison augmentent avec la taille des AuNPs. L'absorption de SiO₂ Des NP de différentes tailles (50, 100 et 300 nm) par des cellules A549 (cellules épithéliales pulmonaires) ont été étudiées par combinaison de cytométrie en flux, de fluorescence et de microscopie électronique. Ces chercheurs avaient montré que l'absorption de SiO₂ Les NP ont diminué de taille [114].

Effet de la forme

En plus de la taille, la forme de la NP joue également un rôle central dans la voie d'absorption ainsi que dans le trafic des NP. Chithrani et al. [112] ont étudié l'effet de la forme des AuNPs colloïdales sur l'absorption des cellules HeLa. Le résultat a révélé que les AuNPs sphériques avaient une absorption cinq fois plus élevée que les AuNPs en forme de bâtonnet. Dans un autre travail, les mêmes chercheurs ont étudié le niveau d'absorption d'AuNP sphérique et en forme de bâtonnet recouvert de transferrine sur trois lignées cellulaires différentes; Cellules STO, cellules HeLa et cellules SNB19 [94]. Ils ont observé que les AuNP sphériques étaient internalisées par toutes les lignées cellulaires à un taux plus élevé que les AuNP en forme de bâtonnet.

Afin d'établir l'effet de la forme in vivo, Geng et ses collègues [115] ont utilisé des filomicelles pour évaluer les différences de transport et de trafic de filaments flexibles avec des sphères chez les rongeurs. Les résultats ont révélé que les filomicelles restaient dans la circulation environ dix fois plus que leurs homologues sphériques. De plus, les filomicelles sphériques sont internalisées par les cellules plus facilement que les filaments plus longs. Gratton et ses collaborateurs [106] ont démontré l'effet de la forme des particules d'hydrogel monodispersées sur l'absorption dans les cellules HeLa. Ils ont découvert que les NP en forme de tige avaient les taux d'internalisation les plus élevés par rapport aux sphères, cylindres et cubes. Dans une autre étude, l'impact de la forme des NP sur l'absorption cellulaire a été étudié en utilisant des NP en polystyrène (PS) en forme de disque, sphérique et en forme de tige sur des cellules Caco-2. Le résultat a démontré que les NP en forme de tige et de disque étaient internalisées deux fois plus que les NP sphériques. Ils ont conclu que l'administration de médicaments médiée par les NP peut être améliorée en considérant la forme des NP [116].

Xu et ses collaborateurs [117] ont étudié l'impact de la forme sur l'absorption cellulaire en préparant des nanoparticules d'hydroxyde double (LDH) en couches avec de l'isothiocyanate de fluorescéine (FITC) dans différentes morphologies telles que des feuilles hexagonales (50-150 nm de large latéralement et 10-20 nm d'épaisseur) et des tiges (30-60 nm de large et 100-200 nm de long). Toutes les morphologies ont été absorbées par endocytose médiée par la clathrine. Les nanosphères de LDH-FITC ont été retenues dans le cytoplasme, tandis que les nanotiges de LDH-FITC ont été déplacées vers le noyau par des microtubules. Dasgupta et al. appliqué [118] une simulation pour sonder le rôle de la forme des NPs sur l'absorption cellulaire. Ils ont simulé l'enveloppement membranaire des NP en forme de nanotige et de nanocube. Pour les particules en forme de bâtonnets, ils ont trouvé des états endocytoses stables avec une fraction d'enveloppement faible et élevée ; l'augmentation du rapport hauteur/largeur n'était pas souhaitable pour un habillage complet. Nangia et Sureshkumar [119] ont informatisé l'effet de la forme sur le taux de translocation des NP en appliquant des techniques avancées de simulation de dynamique moléculaire. Une révélation majeure de l'étude est la variation significative du taux de translocation des NP en forme de cône, de cube, de bâtonnet, de riz, de pyramide et de sphère.

Effet de la charge de surface

Un autre facteur critique qui influence l'absorption cellulaire des NP est la charge de surface. Au cours de la dernière décennie, la nano-modification de surface a été utilisée pour modifier la charge de surface des NP afin qu'elle soit cationique ou anionique [92]. Le CM chargé négativement améliore l'absorption des NP chargées positivement. En particulier, les NP chargées positivement ont une internalisation plus élevée que les NP neutres et chargées négativement [47, 120]. Cependant, l'absorption de NP chargées positivement peut perturber l'intégrité de la CM et conduire à une augmentation de la toxicité [121, 122]. En général, les NP chargées positivement induisent la mort cellulaire [123, 124]. Fait intéressant, les NP chargées de manière neutre réduiront l'absorption cellulaire par rapport aux NP chargées négativement [110, 125,126,127]. De plus, l'internalisation des NP chargées négativement conduit à la gélification des membranes, tandis que les NP chargées positivement provoquent une fluidité dans le CM [128, 129]. En plus du taux d'absorption du NP, les charges de surface affectent également les mécanismes d'absorption. Plus précisément, les NP chargées positivement sont principalement internalisées par la cellule via la macropinocytose alors que l'endocytose indépendante de la clathrine/cavéole est le mécanisme d'absorption des NP chargées négativement [130]. Les voies d'absorption cellulaire varient lorsque la surface des AuNPs est recouverte de molécules organiques. Par exemple, les AuNPs simples qui sont chargées positivement sont internalisées via la macropinocytose et l'endocytose médiée par la clathrine et la cavéoline, tandis que les AuNPs revêtues de polyéthylène glycol (PEG) chargées négativement sont principalement internalisées via l'endocytose médiée par la cavéoline et/ou la clathrine [131].

Li et Gu [132] ont étudié l'interaction des NP chargées et neutres avec le CM au moyen de simulations de dynamique moléculaire. Il a été constaté que les NP chargées avaient une meilleure adhérence aux CM par rapport aux NP neutres. De plus, en augmentant la densité de charge des NP, ils peuvent être entièrement enveloppés par la membrane. Un autre groupe de recherche a utilisé la simulation de la dynamique moléculaire pour étudier les interactions des AuNPs cationiques et anioniques avec les CM. Les résultats ont révélé que la perturbation du CM due à la pénétration des AuNP augmente à mesure que la densité de charge des AuNP est augmentée [133]. Ces résultats suggèrent un moyen de contrôler les interactions entre les cellules et AuNP en manipulant les densités de charge de surface des AuNP pour optimiser son absorption tout en minimisant la cytotoxicité qui sont des caractéristiques essentielles pour toutes les NP envisagées pour des applications biomédicales.

Li et Malmstadt [134] ont étudié l'interaction des PS-NP chargées positivement et négativement avec la membrane biologique. Le résultat a montré que la forte interaction électrostatique entre les NP cationiques et les groupes phosphate de la membrane a conduit à améliorer la liaison NP-membrane et la tension superficielle de la membrane, ce qui à son tour entraîne la formation de pores. Le taux d'absorption des AuNPs chargés positivement dans les cellules SK-BR-3 a été rapporté cinq fois plus élevé que les AuNPs chargés négativement. Ces chercheurs ont également exploré que les AuNP chargées positivement étaient internalisées par des voies de non-endocytose, tandis que les AuNP chargées négativement étaient absorbées par les cellules via des voies d'endocytose [135].

Hauck et al. [107] ont sondé l'absorption de nanotiges d'or (AuNR) avec une plage de tailles de 18 à 40 nm et des charges de surface comprises entre + 37 mV et - 69 mV par des cellules HeLa. Les résultats ont indiqué que pour toutes les concentrations d'AuNR, l'internalisation la plus élevée dans les cellules HeLa était avec les charges de surface de + 37 mV et la plus faible internalisation à - 69 mV. Huhn et ses collègues [136] ont évalué les interactions dépendantes de la charge des AuNP colloïdales avec différentes lignées cellulaires telles que les cellules de fibroblastes 3T3, les cellules progénitrices neurales murines C17.2 et les cellules endothéliales de la veine ombilicale humaine. Le résultat a montré que pour toutes les lignées cellulaires, les AuNPs cationiques avaient une absorption plus élevée que la contrepartie anionique. Ils ont conclu que l'absorption cellulaire dépend fortement du signe de charge. De plus, l'étude de cytotoxicité a indiqué qu'en raison d'une absorption plus élevée de NP chargées positivement, elles présentent une toxicité plus élevée que celle chargée négativement.

Effet de l'hydrophobie

L'hydrophobie des NP est un facteur déterminant dans leur interaction avec les CM [92, 137]. Plusieurs études ont démontré l'impact de l'hydrophobie des NPs sur leurs interactions avec les CM. Li et al. [138] ont étudié l'effet de l'hydrophobie/hydrophilie des NP sur l'interaction avec la CM en utilisant des simulations de dynamique moléculaire. Les résultats ont révélé que les NP hydrophobes créaient une inclusion dans le CM tandis que les NP hydrophiles s'adsorbaient sur le CM. Dans une autre recherche, une approche de simulation a été appliquée pour étudier l'effet de l'hydrophobie sur l'interaction NP-cellule. Il a été observé que les NP hydrophiles étaient enveloppées, tandis que les NP hydrophobes étaient incrustées dans le noyau hydrophobe interne des bicouches en pénétrant directement dans la membrane [139].

Les interactions des QDNP avec des membranes mixtes lipide/polymère ont été évaluées en modifiant la surface d'hydrophobie des NP. Il a été observé que les NP hydrophobes se sont localisées dans les domaines polymères dans une monocouche mixte lipide/polymère des membranes, tandis que les QDNP hydrophiles se sont adsorbées sur les monocouches et se sont propagées partout, indiquant un effet plus important sur le tassement des molécules à l'interface air/eau [140] . L'incorporation d'AuNPs fonctionnalisés avec des ligands hydrophobes et hydrophiles mixtes dans les parois des liposomes a été étudiée. Le résultat a démontré que les ligands hydrophobes interagissent avec le noyau hydrophobe de la bicouche, tandis que les ligands hydrophiles interagissent avec la solution aqueuse [141].

Effet de la modification de surface

Dans les applications biomédicales des NP, la modification chimique de surface des NP est une étape critique utilisée pour diminuer la toxicité, augmenter la stabilité et contrôler et moduler l'internalisation cellulaire des NP, d'où leur devenir biologique [142]. La fonctionnalisation de surface des NP comprend principalement du PEG, le groupe carboxyle négatif (-COOH), des groupes fonctionnels neutres comme les groupes hydroxyle (-OH) et le groupe amine positif (-NH2). L'augmentation de la quantité de (-NH2) entraîne une augmentation de la charge de surface positive et augmente ainsi l'absorption des NP dans les cellules [143,144,145,146]. De même, les groupes fonctionnels -COOH augmentent la charge négative des NP et améliorent en conséquence leur absorption [144].

Tao et al. [147] ont conçu un bioconjugué NP-aptamère fonctionnalisé par la polydopamine pour le ciblage des tumeurs. Ils ont rapporté que les NP fonctionnalisées ont une meilleure efficacité de ciblage par rapport aux NP non fonctionnalisées, indiquant des taux d'absorption cellulaire plus élevés pour les NP fonctionnalisés, ce qui se traduit par un effet thérapeutique amélioré. Dans une autre recherche, les NP fonctionnalisées par l'acide folique ont démontré une efficacité supérieure dans le ciblage des cellules cancéreuses du col de l'utérus que les NP non fonctionnalisées [148]. L'impact du revêtement de surface sur la toxicité et l'absorption cellulaire des AuNPs a été étudié par Qiu et ses collaborateurs [90]. Ils ont révélé que le revêtement de surface est un facteur clé dans la détermination du taux d'absorption cellulaire, car les AuNR revêtus de poly (chlorure de diallyldiméthyl ammonium) ont montré une efficacité plus élevée d'internalisation par les cellules.

Les différences dans l'absorption cellulaire du polystyrène vierge (PS-NPs) et des NPs polystyrène amino-fonctionnalisées ont été étudiées par Jiang et ses collègues [149]. Les résultats ont démontré que les NP de polystyrène amino-fonctionnalisées ont un taux d'absorption plus élevé que les PS-NP, et les premières ont été internalisées principalement via la voie médiée par la clathrine et la dernière via l'endocytose indépendante de la clathrine. Cette différence remarquable met en évidence le rôle clé de la modification chimique de surface dans les interactions cellulaires avec les NP. Fullerène modifié en surface, C₆₀ ( C( COOH) ₂ ) ₂ Les NP ont été internalisées par les cellules principalement par endocytose d'une manière dépendante du temps, de la température et de l'énergie. L'endocytose médiée par la clathrine s'est avérée être la voie privilégiée pour l'internalisation du C₆₀ ( C( COOH) ₂ ) ₂ NP [150].

Effet de l'élasticité

L'élasticité des jeux de NPs est un facteur intrinsèque influençant son internalisation par les cellules. L'élasticité des NPs peut s'expliquer par leur résistance aux changements lorsque des forces sont appliquées sur elles. La rigidité, la dureté et la rigidité sont quelques-uns des termes qui sont synonymes pour décrire l'élasticité des NP. Un indice de mesure utilisé pour évaluer l'élasticité des NP est le module de Young et l'unité de mesure est le Pascal (Pa). Sur la base de cette mesure, une valeur de module de Young plus élevée dénote une élasticité des NPs plus élevée et vice versa. Des exemples de dispositifs ou d'instruments analytiques utilisés pour mesurer cette valeur sur les NP sont le microscope à force atomique, le rhéomètre et le nanoindenteur. Les NP qui ont des valeurs élastiques plus élevées sont appelées NP dures et des exemples de celles-ci sont les NP d'or, les points quantiques et les NP magnétiques. Les NP qui ont des valeurs élastiques plus faibles sont appelées NP molles et des exemples de celles-ci sont les hydrogels, les liposomes et les polymères biodégradables.

De nombreuses études qui se sont concentrées sur ce paramètre de NP en ce qui concerne l'absorption cellulaire ont rapporté la préférence des cellules pour internaliser les NP plus rigides plus efficacement par rapport aux NP plus molles [151, 152]. De toute évidence, cette observation est attribuée à une dépense énergétique globale moindre par les membranes pour envelopper les NP plus rigides par rapport aux NP plus molles, même si l'énergie de déformation requise pour envelopper les NP varie tout au long du processus d'internalisation. De plus, la modélisation informatique de l'enveloppement membranaire de NP avec une élasticité variable menée à l'aide d'une simulation de dynamique moléculaire à gros grains (CGMD) concorde avec l'observation expérimentale concernant les changements d'énergie de déformation impliqués dans l'internalisation des NP rigides et mous [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].

Conclusions

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.

Abréviations

ATP:

Adenosine triphosphate

CAGR:

Compound annual growth rate

CM:

Cell membrane

FITC:

Fluorescein isothiocyanate

GPI:

Glycosylphosphatidylinositol

LDH:

Layered double hydroxide

MTOC:

Microtubule-organizing center

NP :

Nanoparticle

PEG :

Polyethylene glycol