Kurzfassung
Diese Studie stellt eine bahnbrechende, mikrokapselvermittelte Lieferplattform vor, die zwei kritische Herausforderungen in der zellulären Nanomaterialtechnik adressiert: (i) Strategien zur Verbesserung der intrazellulären Transportkinetik starrer Nanopartikel nach dem endosomalen Entkommen und (ii) die Entwicklung von Biodegradationsansätzen für internalisierte Umwelt-Nanoplastikpartikel. Durch den Einsatz von Schicht-für-Schicht (LbL) assemblierten Polyelektrolytkapseln mit stimuli-responsiven Freisetzungsfähigkeiten (photothermisch oder pH-getriggert) haben wir ein robustes raumzeitliches Kontrollsystem für den Nanowirkstofftransport etabliert, das gleichzeitig die enzymatische Degradation von Plastikpartikeln im endolysosomalen Kompartiment ermöglicht.
Einerseits untersuchten wir systematisch das zytoplasmatische Diffusionsverhalten starrer Nanopartikel (Kerndurchmesser: 1,5-100 nm) nach der photoinduzierten Freisetzung aus Mikrokapseln. Hochauflösende konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) mit überlegener zeitlicher Auflösung enthüllte vier bedeutende Erkenntnisse zum intrazellulären Transport: (a) PEGylierungseffekte: Im Vergleich zu nicht-PEGylierten starren Nanopartikeln zeigten PEG-beschichtete Nanopartikel eine deutlich verbesserte Diffusion, was durch Molekulardynamiksimulationen bestätigt wurde, die stärkere Wechselwirkungskräfte zwischen PEG-beschichteten Nanopartikeln und Wassermolekülen demonstrierten; (b) Größenabhängige Transporteigenschaften: Kleinere Nanopartikel wiesen eine signifikant größere Diffusionskapazität auf als ihre größeren Gegenstücke; (c) Endgruppenchemie: Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass methoxy-terminierte PEG-Beschichtungen eine schnellere Diffusion ermöglichten als carboxy-terminierte Äquivalente; (d) Co-Loading-Phänomen: Die Co-Encapsulation von Calcein in den Kapseln verstärkte die Nanopartikel-Wasser-Wechselwirkungen durch instabile Calcein-vermittelte Bindungen, was darauf hindeutet, dass Calcein-dotierte PEGylierte Nanopartikel die geringe Diffusionsleistung überwinden könnten. Folglich könnte die Calcein-vermittelte PEGylierte Nanopartikel-Lieferung eine potenzielle Lösung für den zytosolischen Lieferengpass darstellen, indem sie die intrazelluläre Freisetzung von Nanopartikeln aus Endosomen zu Zielorten verbessert und die Nanopartikel-Liefereffizienz weiter steigert.
Andererseits zeigten wir, dass enzymbeladene Kapseln (PETase@caps) internalisierte PET-Nanopartikel effektiv abbauen können, was einen
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Machbarkeitsnachweis für die plastikabbauende Wirkung auf Zellebene liefert. Das kapselbasierte System ermöglichte eine Enzymanreicherung und intrazelluläre Lieferung, wodurch eine Kolokalisation von Enzymen und Plastiknanopartikeln innerhalb endolysosomaler Kompartimente erreicht wurde. Der PEI-vermittelte Protonenpuffereffekt neutralisierte erfolgreich das saure lysosomale Milieu und erleichterte so den intrazellulären Abbau von Plastiknanopartikeln. Diese Ergebnisse deuten auf das Potenzial hin, diese Plastikabbaufähigkeit in zelluläre Systeme zu übertragen.
This study presents a groundbreaking microcapsule-mediated delivery platform that addresses two critical challenges in cellular nanomaterial engineering: (i) strategies for enhancing intracellular transport kinetics of rigid nanoparticles following endosomal escape, and (ii) development of biodegradation approaches for internalized environmental nanoplastics. By employing layer-by-layer (LbL) assembled polyelectrolyte capsules with stimuli-responsive release capabilities (photothermal or pH-triggered), we have established a robust spatiotemporal control system for nanodrug delivery while simultaneously enabling enzymatic degradation of plastic particulates within endolysosomal compartment. On one hand, we systematically investigated the cytoplasmic diffusion behavior of rigid nanoparticles (core diameter: 1.5-100 nm) following photoinduced release from microcapsules. High-resolution confocal laser scanning microscopy (CLSM) with superior temporal resolution revealed four significant findings regarding intracellular transport: (a) PEGylation effects: Compared to non-PEGylated rigid nanoparticles, those with PEG coatings exhibited markedly enhanced diffusion, as confirmed by molecular dynamics simulations demonstrating stronger interaction forces between PEG-coated nanoparticles and water molecules; (b) Size-dependent transport characteristics: Smaller nanoparticles displayed significantly greater diffusion capacity than their larger counterparts; (c) Terminal group chemistry: Experimental results demonstrated that methoxy-terminated PEG coatings facilitated faster diffusion compared to carboxyl-terminated equivalents; (d) Co-loading phenomenon: Calcein co-encapsulation within the capsules enhanced nanoparticle-water interactions through unstable calcein-mediated binding, suggesting that calcein-doped PEGylated nanoparticles could overcome low diffusion performance. Consequently, calcein-mediated PEGylated nanoparticle delivery may represent a potential solution to the cytosolic delivery bottleneck, enhancing intracellular release of nanoparticles from endosomes to target sites and further improving nanoparticle delivery efficiency. On the other hand, we demonstrated that enzyme-loaded capsules (PETase@caps) can effectively degrade internalized PET nanoparticles, providing proof-of-concept for cellular-level plastic clearance. The capsule-based system enabled enzyme enrichment and intracellular delivery, achieving co-localization of enzymes and plastic nanoparticles within endolysosomal compartments. The PEI-mediated proton buffering effect XXVIII successfully neutralized the acidic lysosomal environment, facilitating intracellular plastic nanoparticle degradation. These findings suggest the potential for translating this plastic degradation capability into cellular systems.