細(xì)胞是復(fù)雜的，多區(qū)域化的物質(zhì)實(shí)體，其被各種膜結(jié)合的細(xì)胞器包圍，其范圍從微米級(μm)到納米級(nm)直徑。這些結(jié)構(gòu)混合在稱為細(xì)胞質(zhì)的擁擠水相中，其中擴(kuò)散偏離布朗運(yùn)動(dòng)。理解“細(xì)胞擁擠”的概念和對細(xì)胞內(nèi)遷移的影響可以使細(xì)胞內(nèi)的受控?cái)U(kuò)散能夠改善藥物遞送和其他醫(yī)學(xué)應(yīng)用。真核細(xì)胞質(zhì)是雙相多孔彈性(流體和固體相互作用)介質(zhì)，含有液相(細(xì)胞質(zhì)與水和可溶性蛋白質(zhì))和固相(細(xì)胞骨架和其他細(xì)胞器)。

用示蹤劑對細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)通常顯示布朗運(yùn)動(dòng)和次擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)(或異常擴(kuò)散)。細(xì)胞質(zhì)中高濃度的大分子被描述為“阻礙性分子擁擠”和生化相互作用(靜電或疏水)自然地影響細(xì)胞內(nèi)示蹤劑的移動(dòng)性。

因此，一個(gè)基本問題仍然沒有得到解決：統(tǒng)一的框架可以解釋細(xì)胞溶質(zhì)擴(kuò)散中觀察到的行為的巨大變化嗎?Fred Etoc及其同事現(xiàn)在在Nature Materials上撰文，使用熒光納米粒子(NP)示蹤劑的單粒子跟蹤來觀察和提出一個(gè)統(tǒng)一的框架，描述納米化物體在真核細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。

研究人員證明：

惰性物體不受阻礙分子擁擠的影響，以顯示布朗運(yùn)動(dòng)，在低粘度介質(zhì)中擴(kuò)散 - 如果它們的尺寸低于約75nm。研究人員將它們與“迷宮跑者”進(jìn)行了比較

大約25納米但具有增加的非特異性相互作用的示蹤劑使擴(kuò)散速度減慢三個(gè)數(shù)量級，逐漸變得異常并與“方形舞者”進(jìn)行比較

使用簡單的連續(xù)時(shí)間隨機(jī)游走(CTRW)模型將非特定相互作用的強(qiáng)度捕獲到單個(gè)參數(shù)中，該模型是描述通過擴(kuò)散粒子執(zhí)行的隨機(jī)游走的教科書模型。通過固定隨機(jī)游走的一些基本屬性，可以觀察到漫射粒子探索了一個(gè)隨時(shí)間線性增長的區(qū)域(均方位移 - MSD)。為了通過實(shí)驗(yàn)確定細(xì)胞內(nèi)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，Etoc和同事劫持了稱為胞飲作用途徑的細(xì)胞進(jìn)入門(通過囊泡形成來觀察運(yùn)輸生物材料)，將功能化和熒光標(biāo)記的納米顆粒(NPs)導(dǎo)入活HeLa細(xì)胞。 。通過延時(shí)顯微鏡記錄單個(gè)NP的細(xì)胞質(zhì)擴(kuò)散(每個(gè)細(xì)胞20至50個(gè)NP)，并使用單粒子追蹤分析進(jìn)行定量。

短暫的滲透壓休克使NPs分散到細(xì)胞質(zhì)中。通過廣泛的單粒子跟蹤實(shí)驗(yàn)監(jiān)測NP對細(xì)胞內(nèi)部的基于擴(kuò)散的探索。使用這種方法，觀察到各種NP表面改性和15至75nm范圍內(nèi)的粒徑與周圍環(huán)境相互作用以獲得明顯的擴(kuò)散異常。

在這項(xiàng)研究中，Etoc等人。通過計(jì)算時(shí)間平均MSD為60 ms來估算短時(shí)間尺度下的移動(dòng)性，以擴(kuò)散系數(shù)D60ms表示。為了表示每種條件下NP的總體行為，參數(shù)α(異常指數(shù))和D60ms的分布由每個(gè)單獨(dú)的軌跡產(chǎn)生的，呈現(xiàn)為二維(2-D)密度圖。這種密度圖用于數(shù)百個(gè)軌跡和條件，綜合了α的結(jié)果在研究結(jié)果中優(yōu)雅地總結(jié)了D60ms。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也用基于連續(xù)時(shí)間隨機(jī)游走的最小模型解釋，其中粒子被描述為在自由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的周期之間采用冪律分布的休止。通過這種方法，MSD的發(fā)現(xiàn)可以作為粒子軌跡被再現(xiàn)和捕獲。未來的工作需要探索這些結(jié)果是否也適用于細(xì)胞中1到10納米大小的大量人群。了解如何在修改細(xì)胞中的非平衡條件(例如改變代謝狀態(tài))時(shí)如何改變異常隨機(jī)游走將使實(shí)驗(yàn)家和理論家都忙碌。

總體而言，研究人員提出了一個(gè)統(tǒng)一的框架來描述與細(xì)胞質(zhì)中納米尺寸物體相關(guān)的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。該研究還提供了一種定量基準(zhǔn)測試工具，用于設(shè)計(jì)完全惰性的NP，可以在不受障礙物阻礙的細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散，并將其定義為“孤獨(dú)的迷宮跑步者”。這些見解對于設(shè)計(jì)細(xì)胞內(nèi)藥物遞送途徑以在將來容易地到達(dá)細(xì)胞內(nèi)的分子靶標(biāo)可能變得至關(guān)重要。