Золото наностержней при содействии оптического Стимуляция нервных клеток
Summary
This protocol outlines how to use the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods to stimulate differentiation and intracellular calcium activity in neuronal cells. These results potentially open up new applications in neural prostheses and fundamental studies in neuroscience.
Abstract
Recent studies have demonstrated that nerves can be stimulated in a variety of ways by the transient heating associated with the absorption of infrared light by water in neuronal tissue. This technique holds great potential for replacing or complementing standard stimulation techniques, due to the potential for increased localization of the stimulus and minimization of mechanical contact with the tissue. However, optical approaches are limited by the inability of visible light to penetrate deep into tissues. Moreover, thermal modelling suggests that cumulative heating effects might be potentially hazardous when multiple stimulus sites or high laser repetition rates are used. The protocol outlined below describes an enhanced approach to the infrared stimulation of neuronal cells. The underlying mechanism is based on the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods, which can cause triggering of neuronal cell differentiation and increased levels of intracellular calcium activity. These results demonstrate that nanoparticle absorbers can enhance and/or replace the process of infrared neural stimulation based on water absorption, with potential for future applications in neural prostheses and cell therapies.
Introduction
Недавние исследования показали, что переходный нагрева связан с поглощением инфракрасного света водой (длина волны> 1400 нм) могут быть использованы, чтобы вызвать потенциалы действия в нервной ткани 1 и внутриклеточных переходных кальция в кардиомиоцитах 2. Использование инфракрасного света поднял большой интерес для применения в нейронных протезов, из-за потенциального тонкой пространственным разрешением, отсутствие прямого контакта с тканью, минимизации стимуляции артефактов и снятия необходимости генетически модифицировать клетки до стимуляции ( в соответствии с требованиями Оптогенетика) 1. Несмотря на все эти преимущества, недавно разработанные тепловые модели предположил, что ткани-мишени / клетки могут быть затронуты кумулятивных эффектов отопления, когда несколько сайтов стимулирования и / или высокие темпы повторения используются 3,4.
В ответ на эти вызовы, исследователи признали потенциал для использования внешнюю всасываниеБерс для стимуляции нерва, чтобы произвести больше локализованные эффекты нагревания в ткани. Хуанг и др. Показали, этот принцип с помощью наночастиц суперферромагнитных ферритовые удаленно активировать термодатчик каналы TRPV1 в НЕК 293 клеток с радио-частоты магнитного поля 5. Хотя этот способ может обеспечить более глубокое проникновение (магнитные поля взаимодействуют с относительно слабо ткани), ответы были записаны только в течение периодов секунд, а не миллисекунды длительности требуемых в бионическими устройств 5. Аналогичным образом, Фара др. Показали, электрическое стимулирование крысы корковых нейронов с черными микрочастиц в пробирке. Они показали точность клеточного уровня в стимулировании использования длительности импульса порядка сотен микросекунд и энергий в диапазоне мкДж, что потенциально позволяет более высокую скорость повторения 6.
Использование внешних поглотителей применяется также для индукцииморфологические изменения в пробирке. Ciofani и др. Показали увеличение нейрональной вырост клеток ~ 40% при использовании пьезоэлектрических нитрида бора нанотрубок, возбуждаемых ультразвуком 7. Аналогичным образом, эндоцитоз наночастиц оксида железа в клетках PC12, как сообщалось, повысить нейритов дифференциацию в зависимости от дозы, в результате активации молекул клеточной адгезии с оксидом железа 8.
В последнее время интерес к внешних амортизаторов, чтобы помочь нервного возбуждения также была сосредоточена на использовании наночастиц золота (Au NPS). Au наночастицы обладают способностью эффективно поглощать лазерное излучение в плазмонного пика и рассеивать его в окружающую среду в виде тепла 9. Среди всех доступных форм частиц, оптического поглощения золотых наностержней (Au непальских) удобно соответствует терапевтическое окно биологических тканей (ближней инфракрасной – NIR, длина волны между 750-1,400 нм) 10. Кроме того, в продолжениедоб нервного возбуждения, использование Au NRS обеспечивает относительно благоприятные биосовместимость и широкий спектр вариантов функционализации поверхности 11. Недавние исследования показали, что стимулирующее действие на дифференциацию могут быть вызваны после непрерывного лазерного воздействия АС NRS в NG108-15 нервных клеток 12. Кроме того, внутриклеточные переходные кальция были зарегистрированы в нервных клетках, культивируемых с Au NRS После лазерного облучения модулированной с переменными частотами и длительности импульса 13. Клеточная мембрана деполяризации был также записан после NIR лазерной подсветкой Au ЯРБ в первичных культурах спиральных ганглиев 14. Первый в естественных условиях применения с облученным Au ЯРБ было продемонстрировано совсем недавно. Eom и коллеги подвергли Au ЯРБ на их плазмонного пика и записал шестикратное увеличение амплитуды действий соединение нервных потенциалов (CNAPs) и в три раза снижение порога стимуляции у крыс седалищного нерва. АнУсиленной ответ был приписан к локальным эффектам отопления в результате возбуждения NR плазмонного пика 15.
В настоящей работе, протоколы для исследования эффектов лазерной стимуляции в NG108-15 нервных клеток, культивируемых с Au NRS указаны. Эти методы обеспечивают простой, но мощный, способ облучать клеточных популяций в пробирке с использованием стандартных биологических методов и материалов. Протокол основан на волокна, в сочетании лазерного диода (LD), что позволяет безопасную работу и повторяемость результатов. АС NR пробоподготовки и лазерные методы облучения может быть продлен до различных форм частиц и культур нейрональных клеток, при условии, что конкретные протоколы синтеза и культура, как известно, соответственно.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протоколы, изложенные в настоящей презентации описывается, как культуры, дифференцировать и оптически стимулировать нервные клетки с помощью примесные амортизаторы. В NR характеристики (например, размеры, форма, плазмонного резонанса длина волны и поверхностной химии) и параметр?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы выразить признательность NanoVentures Австралии за финансовую поддержку Путешествия и профессор Джон копны за то, что частично состоялся эти исследования в Университете Шеффилда и г-жа Джейми Майн за помощь во время съемок.
Materials
| Au NR | Sigma Aldrich | 716812 | |
| NG108-15 | Sigma Aldrich | 8811230 | |
| DMEM | Sigma Aldrich | D6546 | |
| FCS | Life Technologies | 10100147 | |
| L-glutamine | Sigma Aldrich | G7513 | |
| Penicillin/streptomycin | Life Technologies | 15140122 | |
| Amphotericin B | Life Technologies | 15290018 | |
| Formaldehyde | Sigma Aldrich | F8775 | |
| Triton X-100 | BDH | T8532 | |
| BSA | Sigma Aldrich | A2058 | |
| Anti-βIII-tubulin | Promega | G7121 | |
| TRITC-conjugated anti-mouse IgG antibody | Sigma Aldrich | T5393 | |
| DAPI | Invitrogen | D1306 | |
| Fluo-4 AM | Invitrogen | F14201 | |
| DMSO | Sigma Aldrich | 472301 | |
| Pluronic F-127 | Invitrogen | P6867 | |
| Equipment name | Company | Catalogue Number | |
| UV-Vis spectrometer | Varian Medical Systems Inc. | Cary 50 Bio | |
| Mini centrifuge | Eppendorf | Mini Spin | |
| Sonic bath | Unisonics Australia | FPX 10D | |
| Cell culture incubator | Kendro | Hera Cell 150 | |
| Cell culture centrifuge | Hettich | Rotofix 32A | |
| Laser diode | Optotech | 780 nm single mode fibre – coupled LD | |
| Optical fiber | Thorlabs | 780 HP | |
| Power meter | Coherent | Laser Check | |
| ImageJ | http://rsb.info.nih.gov/ij/index.html | ||
| Epifluorescent microscope | Axon Instruments | ImageX-press 5000A | |
| μ-slide well | Ibidi | 80826 | |
| Inverted confocal microscope | Carl Zeiss Microscopy Ltd. | LSM 510 meta-confocal microscope | |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS210 |
References
- Richter, C. P., Matic, A. I., Wells, J. D., Jansen, E. D., Walsh, J. T. Neural stimulation with optical radiation. Laser. Photonics Rev. 5 (1), 68-80 (2011).
- Dittami, G. M., Rajguru, S. M., Lasher, R. A., Hitchcock, R. W., Rabbitt, R. D. Intracellular calcium transients evoked by pulsed infrared radiation in neonatal cardiomyocytes. J. Physiol. 589 (6), 1295-1306 (2011).
- Thompson, A. C., Wade, S. A., Brown, W. G. A., Stoddart, P. R. Modeling of light absorption in tissue during infrared neural stimulation. J. Biomed. Opt. 17 (7), 075002-075002 (2012).
- Thompson, A. C., Wade, S. A., Cadusch, P. J., Brown, W. G., Stoddart, P. R. Modeling of the temporal effects of heating during infrared neural stimulation. J. Biomed. Opt. 18 (3), 035004 (2013).
- Huang, H., Delikanli, S., Zeng, H., Ferkey, D. M., Pralle, A. Remote control of ion channels and neurons through magnetic-field heating of nanoparticles. Nat. Nanotechnol. 5 (8), 602-606 (2010).
- Farah, N., et al. Holographically patterned activation using photo-absorber induced neural-thermal stimulation. J. Neural. Eng. 10 (5), (2013).
- Ciofani, G., et al. Enhancement of neurite outgrowth in neuronal-like cells following boron nitride nanotube-mediated stimulation. ACS Nano. 4 (10), 6267-6277 (2010).
- Kim, J. A., et al. Enhancement of neurite outgrowth in PC12 cells by iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 32 (11), 2871-2877 (2011).
- Myroshnychenko, V., et al. Modelling the optical response of gold nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 37 (9), 1792-1805 (2008).
- Choi, W. I., Sahu, A., Kim, Y. H., Tae, G. Photothermal cancer therapy and imaging based on gold nanorods. Ann. Biomed. Eng. 40 (2), 534-546 (2011).
- Zhan, Q., Qian, J., Li, X., He, S. A study of mesoporous silica-encapsulated gold nanorods as enhanced light scattering probes for cancer cell imaging. Nanotechnology. 21 (5), 055704 (2010).
- Paviolo, C., et al. Laser exposure of gold nanorods can increase neuronal cell outgrowth. Biotechnol. Bioeng. 110 (8), 2277-2291 (2013).
- Paviolo, C., Haycock, J. W., Cadusch, P. J., McArthur, S. L., Stoddart, P. R. Laser exposure of gold nanorods can induce intracellular calcium transients. J. Biophotonics. 7 (10), 761-765 (2014).
- Yong, J., et al. Gold-nanorod-assisted near-infrared stimulation of primary auditory neurons. Adv. Healthcare Mater. , (2014).
- Eom, K., et al. Enhanced infrared neural stimulation using localized surface plasmon resonance of gold nanorods. Small. , (2014).
- Juste, J., Pastoriza-Santos, I., Liz-Marzán, L. M., Mulvaney, P. Gold nanorods: Synthesis, characterization and applications. Coordination Chemistry Reviews. (17-18), 1870-1901 (2005).
- Shang, J., Gao, X. Nanoparticle counting: towards accurate determination of the molar concentration. Chem. Soc. Rev. 43 (21), 7267-7278 (2014).
- Sharma, V., Park, K., Srinivasarao, M. Shape separation of gold nanorods using centrifugation. Proc. Natl. Acad. Sci. 106 (13), 4981-4985 (2009).
- Kaewkhaw, R., Scutt, A. M., Haycock, J. W. Anatomical site influences the differentiation of adipose-derived stem cells for schwann-cell phenotype and function. Glia. 59 (5), 734-749 (2011).
- Brown, W. G. A., Needham, K., Nayagam, B. A., Stoddart, P. R. Whole cell patch clamp for investigating the mechanisms of infrared neural stimulation. JoVE. (77), (2013).
- Cadusch, P. J., Hlaing, M. M., Wade, S. A., McArthur, S. L., Stoddart, P. R. Improved methods for fluorescence background subtraction from Raman spectra. J. Raman Spectrosc. 44 (11), 1587-1595 (2013).
- Daud, M. F. B., Pawar, K. C., Claeyssens, F., Ryan, A. J., Haycock, J. W. An aligned 3D neuronal-glial co-culture model for peripheral nerve studies. Biomaterials. 33 (25), 5901-5913 (2012).
- Jung, S., et al. Intracellular gold nanoparticles increase neuronal excitability and aggravate seizure activity in the mouse brain. PLoS ONE. 9 (3), e91360 (2014).
- Salinas, K., Kereselidze, Z., DeLuna, F., Peralta, X., Santamaria, F. Transient extracellular application of gold nanostars increases hippocampal neuronal activity. J. Nanobiotechnology. 12 (1), 31 (2014).
- Ebbesen, C. L., Bruus, H. Analysis of laser-induced heating in optical neuronal guidance. J. Neurosci. Meth. 209 (1), 168-177 (2012).
- Iwanaga, S., et al. Location-dependent photogeneration of calcium waves in HeLa cells. Cell Biochem. Biophys. 45 (2), 167-176 (2006).
- Huang, X., Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Determination of the minimum temperature required for selective photothermal destruction of cancer cells with the use of immunotargeted gold nanoparticles. Photochem. Photobiol. 82 (2), 412-417 (2006).
- Connor, E. E., Mwamuka, J., Gole, A., Murphy, C. J., Wyatt, M. D. Gold nanoparticles are taken up by human cells but do not cause acute cytotoxicity. Small. 1 (3), 325-327 (2005).
- Isomaa, B., Reuter, J., Djupsund, B. M. The subacute and chronic toxicity of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), a cationic surfactant, in the rat. Arch. Toxicol. 35 (2), 91-96 (1976).
- Juste, J., Pastoriza-Santos, I., Liz-Marzán, L., Mulvaney, P. Gold nanorods: synthesis, characterization and applications. Coord. Chem. Rev. 249 (17-18), 1870-1901 (2005).
- Dreaden, E. C., Alkilany, A. M., Huang, X., Murphy, C. J., El-Sayed, M. A. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine. Chem. Soc. Rev. 41 (7), 2740-2779 (2012).
- Huang, X., Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles. Lasers Med. Sci. 23 (3), 217-228 (2008).
- Albert, E. S., et al. TRPV4 channels mediate the infrared laser-evoked response in sensory neurons. J. Neurophysiol. 107 (12), 3227-3234 (2012).
- Garcia-Elias, A., et al. Phosphatidylinositol-4,5-biphosphate-dependent rearrangement of TRPV4 cytosolic tails enables channel activation by physiological stimuli. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (23), 9553-9558 (2013).
- Shapiro, M. G., Homma, K., Villarreal, S., Richter, C. -. P., Bezanilla, F. Infrared light excites cells by changing their electrical capacitance. Nat. Commun. 3 (736), (2012).
- Roggan, A., Friebel, M., Dörschel, K., Hahn, A., Müller, G. Optical properties of circulating human blood in the wavelength range 400-2500 nm. J. Biomed. Opt. 4 (1), 36-46 (1999).
- Byrnes, K. R., et al. Light promotes regeneration and functional recovery and alters the immune response after spinal cord injury. Lasers Surg. Med. 36 (3), 171-185 (2005).
- Wu, X., et al. 810 nm wavelength light: an effective therapy for transected or contused rat spinal cord. Lasers Surg. Med. 41 (1), 36-41 (2009).
- Grossman, N., Schneid, N., Reuveni, H., Halevy, S., Lubart, R. 780 nm low power diode laser irradiation stimulates proliferation of keratinocyte cultures: involvement of reactive oxygen species. Lasers Surg. Med. 22 (4), 212-218 (1998).
- Wong-Riley, M. T. T., et al. Photobiomodulation directly benefits primary neurons functionally inactivated by toxins – Role of cytochrome c oxidase. J. Biol. Chem. 280 (6), 4761-4771 (2005).
- Beauvoit, B., Kitai, T., Chance, B. Contribution of the mitochondrial compartment to the optical properties pf the rat liver: a theoretical and practical approach. Biophys. J. 67 (6), 2501-2510 (1994).
