综述：纳米生物界面作为细胞行为的结构调节器：细胞外囊泡、合成纳米载体和纳米纤维与细胞的相互作用

《Tissue and Cell》：The Nano–Biointerface as a Structural Regulator of Cell Behavior: Interactions of Extracellular Vesicles, Synthetic Nanocarriers, and Nanofibers with Cells

细胞纳米界面相互作用机制及成像技术研究。比较分析自然外泌体与合成纳米载体（脂质体、树突状体等）及纳米纤维支架的细胞膜超微结构作用机制，揭示膜变形、细胞骨架重组及整合的统一原理。提出高分辨成像（电镜、原子力显微镜）与实时动态分析结合的研究方向，为生物仿生材料设计提供结构指南。

　　

Rabab S. Hamad|Sameh Saber|Alshaimaa A. Farrag|Hanan Eissa|Elsayed A. Elmorsy|Attalla F. El-kott|Mohammed A. AlShehri|Eman A Al-Shahari|Waleed Eltantawy|Mohamed A.M. Ali|Anis Ahmad Chaudhary|Ahmed Gaafar|Ahmed Abdel-monem Elmetwally|Ahmed Shata|Ahmed Y. Kira

沙特阿拉伯法伊萨尔大学理学院生物科学系，阿尔-阿萨 31982

摘要

理解纳米生物界面相互作用的超微结构基础对于阐明细胞识别、内化以及应对纳米级系统的机制至关重要。天然细胞外囊泡（EVs）、合成纳米载体（包括脂质体和树状大分子囊泡）以及纳米纤维支架都通过纳米级机制与细胞膜相互作用，这些机制调节细胞形态、信号传导和结构重塑。EVs具有生物进化而来的膜蛋白特征和脂质组成，有助于受体介导的结合、膜融合和选择性内化。相比之下，合成纳米囊泡通过工程化的双层结构、表面功能化和可调的变形能力模拟这些行为，而纳米纤维支架则通过拓扑引导信号调节细胞粘附和细胞骨架排列，而非生化识别。囊泡纳米系统主要驱动基于曲率的膜重塑（包裹/内吞作用），而纳米纤维支架则主要通过整合素聚集和焦点粘附力传导机制起作用；这些不同的过程可以共同导致细胞骨架重组和信号传导等结果。高分辨率成像技术在可视化这些过程以及揭示囊泡形态、膜厚度和细胞骨架组织的纳米级异质性方面发挥了关键作用。结合活细胞成像和电子显微镜的新方法进一步提高了对动态囊泡-膜相互作用和纳米诱导结构转变的机制理解。尽管取得了这些进展，但仍存在重大知识空白，包括膜变形的实时可视化以及将纳米材料硬度与特定摄取途径联系起来的定量模型。通过将天然和合成纳米系统整合到一个统一的超微结构框架中，本综述推进了对纳米-生物界面动力学的机制理解，并为设计具有可预测细胞相互作用的新一代仿生材料提供了结构指导。

引言

纳米生物界面是纳米级结构与细胞膜、细胞骨架元素和细胞外基质直接接触的基本层次。在这个尺度上，纳米材料的物理化学性质（如曲率、刚性、表面电荷、配体分布和拓扑特征）可以引起特定的超微结构反应（Cheng等人，2013年；Salatin等人，2015年）。这些相互作用控制着包括膜弯曲、内吞囊泡形成、细胞骨架重排和细胞内运输在内的机械生物学过程。对这些纳米级行为的机制理解对于阐明细胞如何识别和响应其微环境至关重要，尤其是在再生医学、生物材料设计和细胞通信领域。

天然细胞外囊泡（EVs），特别是小型EV（sEVs），通常被称为外泌体（EXs），是生物环境中纳米-细胞相互作用的一个突出例子。这些双层囊泡的尺寸通常在30–150纳米范围内，通过膜相互作用（包括受体-配体结合、膜融合和/或内吞途径）介导细胞间通信（Gurung等人，2021年）。高分辨率冷冻电子显微镜（cryo-EM）揭示了EV/sEV在大小、膜组织和 cargo方面的显著异质性，这表明其结构复杂性会影响细胞摄取机制（He等人，2018年）。与此一致的是，EV/sEV与靶细胞膜的相互作用可以引起局部曲率变化、短暂的膜扰动以及与细胞骨架的耦合（Chimal-Vega等人，2025年；Pomatto等人，2019年）。这些结构过程强调了纳米级形态在影响生物功能方面的重要性。

同时，合成纳米材料（如聚合物纳米颗粒（NPs）、无机纳米结构和基于脂质的系统也与生物膜有类似的相互作用。使用相关电子显微镜和原子力显微镜（AFM）的研究表明，NPs可以主动改变膜的超微结构，促进脂质筏聚集、肌动蛋白聚合、膜内陷和囊泡出芽等过程（Ridolfi等人，2020年）。这些形态变化不仅是被动反应，还展示了高度协调的细胞稳态机制（Behzadi等人，2017年）。因此，纳米生物界面已成为生物相容性、细胞内运输以及将设计的NPs整合到生物系统中的关键因素。

除了膜相互作用外，细胞外基质（ECM）还提供了一种精心组织的纳米级结构，影响细胞功能（Luo等人，2022年）。胶原纤维、弹性纤维和蛋白聚糖网络具有独特的纳米拓扑和机械特性，影响细胞粘附、扩散、极性和分化。工程化的纳米纤维支架试图模仿这些天然拓扑结构（Kshitiz等人，2015年；Salerno和Netti，2023年）。形态学研究表明，纤维排列、直径和表面粗糙度直接影响焦点粘附形成、细胞骨架张力和核形态（Omidian和Gill，2024年；Yang等人，2020年）。成功的结构仿生为仅通过物理刺激指导组织再生和调节细胞表型提供了框架。

本综述阐明了天然纳米囊泡、细胞膜纳米结构和工程化纳米纤维细胞外基质在建立控制纳米-生物界面相互作用的超微结构原理中的作用。该综述结合了形态学、组织学和高分辨率成像研究的信息，展示了细胞如何以类似的方式响应纳米级信号。这些反应始终涉及膜重塑、细胞骨架重组、焦点粘附动态和ECM沉积，表明纳米级特性从根本上决定了细胞形态和组织结构。与以往按材料类别或生物医学应用组织纳米-生物界面研究的综述不同，本综述通过统一的超微结构和机械生物学视角综合了天然和合成纳米系统的证据。我们期望这一综述能够为该领域提供一个统一的超微结构框架，将天然和合成纳米相互作用联系起来，从而促进组织工程、仿生支架设计和理解纳米驱动的细胞调控机制的未来研究。

章节片段

细胞膜的超微结构组织

细胞膜具有高度有序的纳米级结构，由动态微域组成，这些微域控制着物质运输、信号传导和外部信号的结构整合。脂质筏、 caveolae和clathrin包被的凹陷是最常研究的纳米域之一。每个微域都具有独特的化学组成和超微结构特征，控制着特定的内吞途径。虽然这三个微域都促进膜曲率和囊泡形成，但它们之间存在显著差异

细胞外囊泡（EVs）

EVs是一类由脂质双层界定的异质性细胞释放颗粒，无法自我复制。当前ISEV共识建议根据可测量特征（如大小、密度、生化组成）使用操作性描述符来区分EV亚型，因为基于生物发生的分类在典型分离物中往往较为困难（Royo等人，2020年）。常见的基于大小的描述符包括小型EVs（sEVs；通常<200纳米）、中型EVs（mEVs；约200纳米–1微米）和大型EVs

天然ECM的纳米级结构

天然ECM具有层次化的纳米级结构，由胶原纤维、弹性纤维、蛋白聚糖和糖胺聚糖组成，根据组织类型的不同，这些成分以高度有序或各向异性的模式排列（Padhi和Nain，2020年）。I型胶原纤维的尺寸通常在30至300纳米之间，形成具有抗拉强度的排列束。另一方面，弹性纤维网络则形成可伸展的纳米级纤维（Gautieri等人，2011年）。高分辨率

合成纳米系统：超微结构和细胞相互作用机制

合成纳米系统旨在模仿生物囊泡和纳米结构的某些方面，通过与细胞膜通过定义的超微结构和物理化学机制相互作用。这些系统包括多种架构，如基于脂质的囊泡（例如脂质体、transferosomes、niosomes）、聚合物囊泡（polymerosomes）、树状大分子衍生的组装体（dendrimersomes）和脂质基质（固体脂质纳米颗粒和纳米结构脂质

天然与合成纳米生物界面的比较分析

EVs（通常是富含sEV/exosomes的制剂）表现出生物来源的表面复杂性，这可以影响趋向性和内化。它们的纳米级膜组织可以支持受体介导的结合，在某些情况下还可以支持膜融合和选择性摄取。相比之下，合成囊泡系统缺乏内源性蛋白质，但可以通过工程化的表面配体和/或双层流动性调节来模拟EV的行为。Transferosomes和某些niosomes配方

药物和基因递送

本综述中强调的超微结构事件（膜曲率重塑、包裹效率和细胞骨架辅助的内化）直接转化为递送性能，因为它们决定了哪种进入途径占主导地位以及货物是否能够到达细胞质。临床验证的核酸LNP平台就是这种耦合的例子：多组分脂质架构被设计用于在纳米-生物界面平衡胶体稳定性和吸附

研究纳米生物界面的先进成像和量化技术

全面理解纳米生物界面相互作用需要高分辨率成像和定量分析方法，以便在生理相关条件下实时捕捉纳米级过程。由于纳米材料和生物膜之间的相互作用发生在几纳米的层面上，如膜曲率诱导、囊泡出芽、双层融合、细胞骨架锚定和纳米级粘附，因此只有先进的显微镜技术

未来方向

尽管在高分辨率成像和纳米级表征方面取得了显著进展，但在全面理解膜力学、曲率诱导蛋白、囊泡变形能力和细胞骨架反馈之间的动态相互作用方面仍存在重大知识空白。许多已发表的研究依赖于静态终点成像，而不是实时动态分析，导致对膜变形、囊泡融合或纳米拓扑依赖性的机制解释不足

结论

本文回顾的集体证据表明，纳米生物界面处的超微结构相互作用构成了一个统一的原则，调节了天然和合成纳米级系统的细胞检测、响应和整合。

资助

本工作得到了沙特阿拉伯法伊萨尔大学研究生研究和科学研究部的支持（资助编号GrantA416）。作者感谢Bisha大学的研究生研究和科学研究部通过快速研究支持计划对本工作的支持。

CRediT作者贡献声明

Ahmed Shata：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法学、数据管理、概念化。Alshaimaa A. Farrag：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法学、数据管理、概念化。Ahmed Abdel-monem Elmetwally：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法学、数据管理、概念化。Sameh Saber：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原始草稿、方法学、数据管理、概念化。Ahmed Gaafar：

致谢

作者感谢King Khalid大学的研究和研究生研究部在RGP1/233/45号资助下对本工作的支持。研究人员还要感谢Qassim大学的研究生研究和科学研究部提供的财务支持（QU-APC-2026）。