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Membrane-mediated interaction of intercellular cylindrical nanoparticles
Physical Review E ( IF 2.2 ) Pub Date : 2021-09-07 , DOI: 10.1103/physreve.104.034403 Zeming Wu 1 , Xin Yi 1
Physical Review E ( IF 2.2 ) Pub Date : 2021-09-07 , DOI: 10.1103/physreve.104.034403 Zeming Wu 1 , Xin Yi 1
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Nanoparticles in intercellular gaps, junctions, or seals could have close contact with neighboring cells simultaneously. Understanding the interaction between intercellular nanoparticles and confining cell membranes is of fundamental importance, not only to the unravelling of endocytic mechanisms but also to implications such as controlled drug delivery in tumor tissues. Here we theoretically examine the mechanical behaviors of adhesive cylindrical nanoparticles confined between two lipid membrane patches of finite size. As the size of the particle-membrane contact region or wrapping degree increases, neighboring cylindrical nanoparticles become separated and the nanoparticle distance increases first and then decreases until the particles are fully trapped by adjacent membrane patches. Depending on the nanoparticle size, adhesion energy, membrane bending rigidity and tension, and intermembrane distance, three characteristic particle-membrane interaction phases are determined as no wrapping, partial trapping, and full trapping, and the corresponding interaction phase diagram is established. Further energy comparison indicates that multiple nanoparticles undergoing the two-membrane trapping process do not exhibit cooperative effects. Analytical estimations on the system energy and configurations at equilibrium are performed based on the force balance of the membranes at small deformation and match well with numerical solutions. The results shed light on the mechanical behaviors of multiple nanoparticles in cell junctions or gaps and may have implications for drug delivery in tumor tissues.
中文翻译：
细胞间圆柱形纳米粒子的膜介导相互作用
细胞间间隙、连接处或密封处的纳米颗粒可以同时与相邻细胞密切接触。了解细胞间纳米颗粒和限制细胞膜之间的相互作用具有根本的重要性，不仅对解开内吞机制，而且对肿瘤组织中受控药物递送等意义也很重要。在这里，我们从理论上检查了限制在两个有限尺寸的脂质膜贴片之间的粘性圆柱形纳米粒子的机械行为。随着粒子-膜接触区域的大小或包裹程度的增加，相邻的圆柱形纳米粒子开始分离，纳米粒子的距离先增加后减小，直到粒子被相邻的膜片完全捕获。取决于纳米颗粒的大小、粘附能、膜弯曲刚度和张力，以及膜间距离，确定了三个特征粒子-膜相互作用相为无包裹、部分俘获和完全俘获，并建立了相应的相互作用相图。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。确定了三个特征粒子-膜相互作用相为无包裹、部分俘获和完全俘获，并建立了相应的相互作用相图。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。确定了三个特征粒子-膜相互作用相为无包裹、部分俘获和完全俘获，并建立了相应的相互作用相图。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。
更新日期：2021-09-07
中文翻译：
细胞间圆柱形纳米粒子的膜介导相互作用
细胞间间隙、连接处或密封处的纳米颗粒可以同时与相邻细胞密切接触。了解细胞间纳米颗粒和限制细胞膜之间的相互作用具有根本的重要性，不仅对解开内吞机制，而且对肿瘤组织中受控药物递送等意义也很重要。在这里，我们从理论上检查了限制在两个有限尺寸的脂质膜贴片之间的粘性圆柱形纳米粒子的机械行为。随着粒子-膜接触区域的大小或包裹程度的增加，相邻的圆柱形纳米粒子开始分离，纳米粒子的距离先增加后减小，直到粒子被相邻的膜片完全捕获。取决于纳米颗粒的大小、粘附能、膜弯曲刚度和张力，以及膜间距离，确定了三个特征粒子-膜相互作用相为无包裹、部分俘获和完全俘获，并建立了相应的相互作用相图。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。确定了三个特征粒子-膜相互作用相为无包裹、部分俘获和完全俘获，并建立了相应的相互作用相图。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。确定了三个特征粒子-膜相互作用相为无包裹、部分俘获和完全俘获，并建立了相应的相互作用相图。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。进一步的能量比较表明，经历两膜捕获过程的多个纳米粒子没有表现出协同效应。系统能量和平衡配置的分析估计是基于膜在小变形下的力平衡进行的，并且与数值解很好地匹配。结果揭示了多个纳米粒子在细胞连接处或间隙中的机械行为，并可能对肿瘤组织中的药物递送产生影响。
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