膜の非対称性の喪失は、赤血球と人工シリカナノ粒子との相互作用を変化させる

Loss of membrane asymmetry alters the interactions of erythrocytes with engineered silica nanoparticles.

• Parnian Bigdelou
• Amid Vahedi
• Evangelia Kiosidou
• Amir M Farnoud

抄録

細胞膜の完全性の破壊は、細胞内のナノ粒子の毒性の主要なメカニズムである。ナノ粒子誘発膜損傷のメカニズム研究は、一般的に膜が非対称なリン脂質組成を持っているという事実を見落として、対称的な二重膜に焦点を当てたモデル膜を使用して行われてきた。本研究では、正常膜とスクランブル膜の非対称性を持つ赤血球を用いて、膜の非対称性の喪失とその結果として生じる外葉脂質組成の変化がナノ粒子と膜の相互作用にどのように影響を与えるかを検討した。非修飾、アミン修飾、およびカルボキシル修飾シリカ(30nm)をナノ粒子モデルとして使用した。膜の非対称性の喪失は、カルシウムイオノフォアを用いた赤血球の誘導によって達成された。非修飾シリカナノ粒子による赤血球膜の破壊(溶血)は、健康な細胞と比較して有意に減少した。アミンおよびカルボキシル修飾された粒子は、いずれの細胞においても溶血を引き起こさなかった。これと一致して、膜の非対称性が失われると、未修飾シリカナノ粒子の膜への結合が有意に減少することが観察された。未修飾シリカ粒子はまた、健康な赤血球をスフェロイド状に変化させるという著しい細胞の変形を引き起こした。細胞内での知見と一致するように、未修飾粒子は赤血球の外側リーフレットの脂質組成を模倣した小胞を破壊した。破壊の程度と膜へのナノ粒子の結合は、スクランブル膜の組成を模倣した小胞で減少した。低温電子顕微鏡では、粒子表面に脂質層が存在することが明らかになり、小胞の損傷のメカニズムとして脂質吸着が示唆された。これらの結果から、小胞と赤血球の両方において、ナノ粒子によって誘発される膜損傷において、膜外葉の脂質組成が重要な役割を果たしていることが示唆された。

Disruption of plasma membrane integrity is a primary mechanism of nanoparticle toxicity in cells. Mechanistic studies on nanoparticle-induced membrane damage have been commonly performed using model membranes with a focus on symmetric bilayers, overlooking the fact that the membrane has an asymmetric phospholipid composition. In this study, erythrocytes with normal and scrambled membrane asymmetry were utilized to examine how the loss of membrane asymmetry and the resulting alterations in the outer leaflet lipid composition affect nanoparticle-membrane interactions. Unmodified, amine-modified, and carboxyl-modified silica (30 nm) were used as nanoparticle models. Loss of membrane asymmetry was achieved by induction of eryptosis, using a calcium ionophore. Erythrocyte membrane disruption (hemolysis) by unmodified silica nanoparticles was significantly reduced in eryptotic compared to healthy cells. Amine- and carboxyl-modified particles did not cause hemolysis in either cell. In agreement, a significant reduction in the binding of unmodified silica nanoparticles to the membrane was observed upon loss of membrane asymmetry. Unmodified silica particles also caused significant cell deformation, changing healthy erythrocytes into a spheroid shape. In agreement with findings in the cells, unmodified particles disrupted vesicles mimicking the erythrocyte outer leaflet lipid composition. The degree of disruption and nanoparticle binding to the membrane was reduced in vesicles mimicking the composition of scrambled membranes. Cryo-electron microscopy revealed the presence of lipid layers on particle surfaces, pointing to lipid adsorption as the mechanism for vesicle damage. Together, findings indicate an important role for the lipid composition of the membrane outer leaflet in nanoparticle-induced membrane damage in both vesicles and erythrocytes.