A study of particle behaviour in dynamic extracellular environments using nanoparticles as model nanoscale probes
本研究利用一种无标记的光学焦散显微技术，证明了人类间充质干细胞的动态细胞外环境显著改变了金纳米颗粒的输运行为，强调了局部生物条件（如血清暴露、表面电荷和蛋白质含量）对纳米级迁移率的关键影响。
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在活体组织的微观世界中，细胞间的空间绝非空无一物。它是一条繁忙且拥挤的高速公路，充满了不断移动和变化的蛋白质、糖类及其他分子。对于试图理解微小颗粒如何在这种环境中运动的科学家来说——无论是天然的细胞成分，还是旨在递送药物的人造药物——这种动态的景观构成了一个重大的谜题。如果颗粒移动得太慢，它可能永远无法到达目标；如果移动得太快，它可能会直接错过目标。传统上，研究人员通过在这些颗粒上附着明亮的荧光标签来观察它们，就像是在汽车上安装一个微小的灯泡以追踪其速度。然而，这些灯光可能会改变汽车的行为，改变其重量或与道路的相互作用方式，这意味着收集到的数据可能无法反映真实情况。为了看到这些复杂生物系统中运动的本质，科学家需要一种“只观察而不接触”的方法，即一种能够按原样观察颗粒的方法。
利物浦大学的一个研究小组开发了一种新的观察这些微小旅行者的方法，该技术依赖于光本身而非人工标记。他们将研究重点放在金纳米颗粒上，这些直径仅为100纳米的金属性小球是理解纳米级物体行为的极佳模型。研究人员将这些金球放入含有人类干细胞的流体环境中，并使用一种特殊的显微镜装置在颗粒周围创建光学图案，称为“焦散”（caustics）。这些图案表现为明亮的光点被暗环包围，使团队能够追踪每个颗粒在活细胞上方流体中漂移的精确位置。通过观察这些运动随时间的变化，科学家可以在不使用化学标签改变颗粒的情况下，测量颗粒移动的速度和行驶的距离。
研究表明，由活细胞创造的环境并非静态流体，而是一个不断演变的介质，它会显著减缓颗粒的运动。当金纳米颗粒最初被引入时，它们以一定的速度移动，但随着时间的推移，它们的运动明显变慢了。大约一个半小时后，无论颗粒距离细胞表面多远，它们的运动都变得异常迟缓。这表明细胞正在积极改变其周围的化学性质，可能是通过释放新的蛋白质或重新排列现有蛋白质，从而为颗粒的导航创造了一条更厚或更拥挤的路径。研究人员发现，这种减速效应并非由于颗粒直接粘附在细胞上，因为即使在颗粒未接触细胞层的距离处，减速现象依然存在。
颗粒的行为在很大程度上取决于其电荷以及流体中蛋白质的存在。团队测试了两种类型的金颗粒：一种带负电，另一种带正电。当流体中含有血清蛋白（常见于血液和细胞培养基）时，带正电的颗粒会被一层此类蛋白质屏蔽，使其能够相对自由地继续移动。然而，当移除蛋白质后，带正电的颗粒会迅速粘附在容器的玻璃表面，无法移动。这是因为颗粒的正电荷会被玻璃的负电荷所吸引，而蛋白质层通常会阻止这种力量。相比之下，带负电的颗粒不会粘附在玻璃上，但在存在细胞的情况下仍会随时间减速，这表明细胞是在改变流体本身，而不仅仅是作为一个黏性的陷阱。
一个最令人震惊的发现是，虽然颗粒的速度发生了剧烈变化，但其运动的基本性质却保持了惊人的连贯性。颗粒并没有开始进行不规则、不可预测的爆发式运动，也没有卡在某个固定点；相反，它们继续以一种随机、自然的方式漂移，只是速度变慢了。这表明活体环境更像是一种增加阻力的增稠流体，而不是一个困住颗粒进行异常运动的混乱迷宫。研究人员还观察到，颗粒运动覆盖的区域随时间缩小，这意味着随着受到周围环境的阻碍，它们探索的领地也变得越来越小。
这项工作为观察纳米级物体如何在复杂的活体组织中航行提供了一个清晰的、无标记的窗口。通过展示细胞周围的局部环境是动态且不断变化的，该研究强调了颗粒的旅程不仅取决于其自身的属性，还取决于其所穿越的世界中那不断变化的条件。这种无需干扰即可追踪运动的能力，为理解药物和其他纳米级制剂在人体内的行为提供了一个强大的新工具，确保未来的医疗设计是基于事物在生命中实际是如何运动的，而不仅仅是它们在简单的试管中是如何运动的。
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