単一粒子の同時追跡と動的pHセンシングにより、リソソームを標的としたメソポーラスシリカナノ粒子の経路を明らかにした

Simultaneous Single-particle Tracking and Dynamic pH Sensing Reveal Lysosome-targetable Mesoporous Silica Nanoparticles Pathways.

• Rong-Lin Chang
• Feby Pratiwi
• Bi-Chang Chen
• Peilin Chen
• Si-Han Wu
• Chung-Yuan Mou

抄録

ナノ粒子（NP）ベースの標的薬物送達は、治療活性分子を特定の細胞や特定の細胞内コンパートメントに輸送することを目的としている。しかし、この標的化シナリオにおけるナノ粒子の完全な経路についての知見は限られている。本研究では、単一粒子追跡（SPT）を用いて運動と動的pHセンシングを同時に行うことで、リソソームを標的としたメソポーラスシリカナノ粒子（MSN）の旅路についての洞察を得るための別の方法につながる。2つの異なるpH感受性染料と参照染料は、ナノプローブの測定可能なpH範囲（pH 4〜7.5）を広げるために、共縮合を介してメソポーラスシリカナノ粒子（MSN）に組み込まれています。ホスホン酸塩、アミン、リソソソームソーティングペプチド（YQRLGC）をMSNの表面にコンジュゲートして、2つの正電荷とリソソソームを標的とすることが可能なMSNの細胞内ナノバイオ相互作用をそれぞれ研究しています。これらのMSNの輝度と安定性により、その移動と移動中の動的なpHの変化をリアルタイムで同時にモニターすることができます。重要なことに、MSNの動きと局所pHの多次元解析により、単一のパラメータだけを使用した場合には以前はアクセスできなかった、新しいモデルの細胞内動的状態とMSNの分布が明らかになりました。重要な結果は、YQRLGCと共役したMSNが、従来のものとは別のルートでリソソームを標的にしていたことであり、これにより4時間もの時間が短縮され、標的化効率が向上した（最大32％）。この知見は、MSNの細胞内の旅の理解をより豊かにするものである。この研究は、治療用ペイロードの標的送達を達成するためのナノ粒子の完全な経路と表面デザインの相関に関する補完的な情報を提供しています。

Nanoparticles (NPs)-based targeted drug delivery is intended to transport therapeutically active molecules to specific cells, and particular intracellular compartments. However, there is limited knowledge regarding the complete route of NPs in this targeting scenario. In this study, simultaneously performing motion and dynamic pH sensing using single-particle tracking (SPT) leads to an alternative method of gaining insight on the mesoporous silica nanoparticle's (MSN) journey in targeting lysosome. Two different pH-sensitive dyes and a reference dye, are incorporated into mesoporous silica nanoparticles (MSNs) via co-condensation to broaden the measurable pH range (pH 4~7.5) of nanoprobe. The phosphonate, amine, and lysosomal sorting peptides (YQRLGC) are conjugated onto MSN's surface to study intracellular nano-bio interactions of two oppositely charged- and lysosome targetable-MSN, respectively. The brightness and stability of these MSNs allow their movement and dynamic pH evolution during their journey to be simultaneously monitored in real-time. Importantly, a multidimensional analysis of MSN's movement and local-pH have revealed a new model intracellular dynamic states and distributions of MSNs, previously inaccessible when using single parameters alone. A key result is that YQRLGC-conjugated MSNs took an alternative route to target lysosomes apart from the traditional one, which sped up to 4h and enhanced their targeting efficiency (up to 32%). The findings enrich our understanding of the intracellular journey of MSNs. This study offers complementary information on correlating the surface design with the full pathway of nanoparticles to achieve targeted delivery of therapeutic payload.