Zwitterionic polymer ligands: An ideal surface coating to totally suppress protein-nanoparticle corona formation?

International audienceIn the last few years, zwitterionic polymers have been developed as antifouling surface coatings. However, their ability to completely suppress protein adsorption at the surface of nanoparticles in complex biological media remains undemonstrated. Here we investigate the formation of hard (irreversible) and soft (reversible) protein corona around model nanoparticles (NPs) coated with sulfobetaine (SB), phosphorylcholine (PC) and carboxybetaine (CB) polymer ligands in model albumin solutions and in whole serum. We show for the first time a complete absence of protein corona around SB-coated NPs, while PC-and CB-coated NPs undergo reversible adsorption or partial aggregation. These dramatic differences cannot be described by naïve hard/soft acid/base electrostatic interactions. Single NP tracking in the cytoplasm of live cells corroborate these in vitro observations. Finally, while modification of SB polymers with additional charged groups lead to consequent protein adsorption, addition of small neutral targeting moieties preserves antifouling and enable efficient intracellular targeting

Manipulation de signaux intracellulaires à l'aide de nanoparticules magnétiques

Cells are sensing their environment using receptor that transmit the information to the intracellular side where pathways of signaling molecules are processing the information to decide of their behavior. In our project we propose a new way to hijack these internal signals. We propose to use magnetic nanoparticles to target intracellular engineered protein and to move them in the cytoplasm. This magneto-molecular actuation on cells is part of the Magneuron H2020 project which intend on the long run to provide tools to control implanted cells in the context of regenerative medicine targeting the Parkinson disease. In this pathology neurons connecting two regions of the brains are lacking and a proper cure would need a way to implant cell in one of this location the substancia nigra, and to control the neurons to make them grow toward the striatum. Magnetic manipulation of intracellular proteins offer interesting characteristic on paper. First magnetic fields can go through tissue without limitation and have no interaction with biological structure. Second actuating intracellularly allow the highest specificity and will limit potential adverse effects on other cells. Thus using magnetic nanoparticles (MNPs) we targeted Guanine exchange factors (GEF) proteins which are known to be the activator of the Rho small GTPases. These RhoGTPases are playing many roles, and specially they can control cell migration and cell polarization. The later is very important during the axonal growth of neurons, the first one is easy to visualize in cell cultures. We produced sets of experiments showing that we could generate in single cell experiments protrusions of a few micrometers that are related to the activation of the RhoGTPases. As we also observed different limitation to our technic we studied the environment in which our particles are, and what could be the causes of these limitations. The environment of the particles is the cytoplasm, we explored how different particles interact with this environment and how it affect their diffusion. We also explored spatially if this environment is homogeneous. We showed that small particles (less than 70nm) diffuse can diffuse freely in the cell when they are properly passivated. Concerning the magnetic manipulation we present some preliminary data that start to explain why the technic is limited to activate intracellular signals.Les cellules captent des informations sur leur environnement en utilisant des récepteurs qui transmettent l’information au milieu intracellulaire. L’information est traitée par des protéines de signalisation qui in fine produiront un comportement cellulaire adapté. Dans ce travail nous proposons une méthode pour pirater ces signaux intracellulaires. Nous proposons d’utiliser des nanoparticules magnétiques pour cibler et déplacer des protéines intracellulaires. Ce contrôle magnetico-moléculaire fait parti du projet H2020 Magneuron qui prévoit le développement d’outils pour contrôler des cellules implanté chez des patients dans le contexte de la médecine régénérative pour la maladie de Parkinson. Dans cette maladie des neurones dopaminergiques qui connectent deux régions du cerveau sont manquant, et un soin curatif nécessite d’implanter des neurones dans la substancia nigra et de contrôler la croissance de leur axone en direction du striatum. Les manipulations magnétiques intracellulaires ont plusieurs avantages sur le papier. Tout d’abord les champs magnétiques traversent les tissues biologiques sans difficultés et avec peu d’interactions. Deuxièmement en agissant de manière intracellulaire il est possible d’agir de manière spécifique sur certaines cellules et de limiter les effets indésirables sur d’autres tissus. En utilisant des nanoparticules magnétiques nous avons ciblé les facteurs d’échange de guanines (GEF) qui sont les activateurs des petites Rho GTPases. Ces rhoGTPases ont différents rôles, entre autres le contrôle de la migration cellulaire et de la polarisation. Cette dernière est importante pour la formation des axones, tandis que la première est facilement observable dans les cultures cellulaires. Nous avons donc produit des expérimentation sur des cellules unique en culture, et nous avons pu contrôler la formation de protrusion de plusieurs micromètres en réaction à nos manipulation. Nous avons toutefois observé un certain nombres de limitations à notre technique et nous avons donc cherché à en comprendre les causes. Premièrement nous avons exploré l’environnement des particules, le cytoplasme. En utilisant différent type de particules nous avons dans la continuité de précédent travaux montré que les interactions non spécifiques jouent un rôle prépondérant dans le mode de diffusion de ces particules. Nous avons aussi montré que s’agissant de particules ayant peu d’interactions, la diffusion de ces particules est homogène dans tout les cytoplasme. Concernant les manipulations de nanoparticules magnétiques nous présentons un ensemble de données préliminaires pour tenter d’expliquer les limitations de notre technique

Manipulation de signaux intracellulaires à l'aide de nanoparticules magnétiques

Les cellules captent des informations sur leur environnement en utilisant des récepteurs qui transmettent l’information au milieu intracellulaire. L’information est traitée par des protéines de signalisation qui in fine produiront un comportement cellulaire adapté. Dans ce travail nous proposons une méthode pour pirater ces signaux intracellulaires. Nous proposons d’utiliser des nanoparticules magnétiques pour cibler et déplacer des protéines intracellulaires. Ce contrôle magnetico-moléculaire fait parti du projet H2020 Magneuron qui prévoit le développement d’outils pour contrôler des cellules implanté chez des patients dans le contexte de la médecine régénérative pour la maladie de Parkinson. Dans cette maladie des neurones dopaminergiques qui connectent deux régions du cerveau sont manquant, et un soin curatif nécessite d’implanter des neurones dans la substancia nigra et de contrôler la croissance de leur axone en direction du striatum. Les manipulations magnétiques intracellulaires ont plusieurs avantages sur le papier. Tout d’abord les champs magnétiques traversent les tissues biologiques sans difficultés et avec peu d’interactions. Deuxièmement en agissant de manière intracellulaire il est possible d’agir de manière spécifique sur certaines cellules et de limiter les effets indésirables sur d’autres tissus. En utilisant des nanoparticules magnétiques nous avons ciblé les facteurs d’échange de guanines (GEF) qui sont les activateurs des petites Rho GTPases. Ces rhoGTPases ont différents rôles, entre autres le contrôle de la migration cellulaire et de la polarisation. Cette dernière est importante pour la formation des axones, tandis que la première est facilement observable dans les cultures cellulaires. Nous avons donc produit des expérimentation sur des cellules unique en culture, et nous avons pu contrôler la formation de protrusion de plusieurs micromètres en réaction à nos manipulation. Nous avons toutefois observé un certain nombres de limitations à notre technique et nous avons donc cherché à en comprendre les causes. Premièrement nous avons exploré l’environnement des particules, le cytoplasme. En utilisant différent type de particules nous avons dans la continuité de précédent travaux montré que les interactions non spécifiques jouent un rôle prépondérant dans le mode de diffusion de ces particules. Nous avons aussi montré que s’agissant de particules ayant peu d’interactions, la diffusion de ces particules est homogène dans tout les cytoplasme. Concernant les manipulations de nanoparticules magnétiques nous présentons un ensemble de données préliminaires pour tenter d’expliquer les limitations de notre technique.Cells are sensing their environment using receptor that transmit the information to the intracellular side where pathways of signaling molecules are processing the information to decide of their behavior. In our project we propose a new way to hijack these internal signals. We propose to use magnetic nanoparticles to target intracellular engineered protein and to move them in the cytoplasm. This magneto-molecular actuation on cells is part of the Magneuron H2020 project which intend on the long run to provide tools to control implanted cells in the context of regenerative medicine targeting the Parkinson disease. In this pathology neurons connecting two regions of the brains are lacking and a proper cure would need a way to implant cell in one of this location the substancia nigra, and to control the neurons to make them grow toward the striatum. Magnetic manipulation of intracellular proteins offer interesting characteristic on paper. First magnetic fields can go through tissue without limitation and have no interaction with biological structure. Second actuating intracellularly allow the highest specificity and will limit potential adverse effects on other cells. Thus using magnetic nanoparticles (MNPs) we targeted Guanine exchange factors (GEF) proteins which are known to be the activator of the Rho small GTPases. These RhoGTPases are playing many roles, and specially they can control cell migration and cell polarization. The later is very important during the axonal growth of neurons, the first one is easy to visualize in cell cultures. We produced sets of experiments showing that we could generate in single cell experiments protrusions of a few micrometers that are related to the activation of the RhoGTPases. As we also observed different limitation to our technic we studied the environment in which our particles are, and what could be the causes of these limitations. The environment of the particles is the cytoplasm, we explored how different particles interact with this environment and how it affect their diffusion. We also explored spatially if this environment is homogeneous. We showed that small particles (less than 70nm) diffuse can diffuse freely in the cell when they are properly passivated. Concerning the magnetic manipulation we present some preliminary data that start to explain why the technic is limited to activate intracellular signals

Publisher Correction: Non-specific interactions govern cytosolic diffusion of nanosized objects in mammalian cells

International audienceIn the version of this Article originally published, Supplementary Videos 3-5 were incorrectly labelled; 3 should have been 5, 4 should have been 3 and 5 should have been 4. This has now been corrected

Non-specific interactions govern cytosolic diffusion of nanosized objects in mammalian cells

International audienceThe diffusivity of macromolecules in the cytoplasm of eukaryotic cells varies over orders of magnitude and dictates the kinetics of cellular processes. However, a general description that associates the Brownian or anomalous nature of intracellular diffusion to the architectural and biochemical properties of the cytoplasm has not been achieved. Here we measure the mobility of individual fluorescent nanoparticles in living mammalian cells to obtain a comprehensive analysis of cytoplasmic diffusion. We identify a correlation between tracer size, its biochemical nature and its mobility. Inert particles with size equal or below 50 nm behave as Brownian particles diffusing in a medium of low viscosity with negligible effects of molecular crowding. Increasing the strength of non-specific interactions of the nanoparticles within the cytoplasm gradually reduces their mobility and leads to subdiffusive behaviour. These experimental observations and the transition from Brownian to subdiffusive motion can be captured in a minimal phenomenological model