Synthese van gouden nanodeeltjes geïntegreerde Photo-responsieve liposomen en waardering van hun Microbel Cavitatie bij Pulse Laser Excitatie
Summary
Dit protocol beschrijft een eenvoudige bereidingswijze voor goud nanodeeltjes geïntegreerde foto-responsief liposomen met de commercieel verkrijgbare materialen. Het toont ook aan hoe de microbellen cavitatie proces van de gesynthetiseerde liposomen te meten bij de behandeling van gepulste laser.
Abstract
Photo-responsive nanoparticles (NPs) have received considerable attention because of their potential in providing spatial, temporal, and dosage control over the drug release. However, most of the relevant technologies are still in the development process and are unprocurable by clinics. Here, we describe a facile fabrication of these photo-responsive NPs with commercially available gold NPs and thermo-responsive liposomes. Calcein is used as a model drug to evaluate the encapsulation efficiency and the release kinetic profile upon heat/light stimulation. Finally, we show that this photo-triggered release is due to the membrane disruption caused by microbubble cavitation, which can be measured with hydrophone.
Introduction
De mogelijkheid om geneesmiddelafgifte te activeren met behulp van externe stimuli is een aantrekkelijke manier om de drugs te leveren in ruimtelijk, temporal- en dosering gecontroleerde mode met maximale specificiteit en minimale bijwerkingen. Uit een breed scala van exogene stimuli-responsieve systemen (licht, magnetisch veld, echografie, microgolfstraling), licht-geactiveerd platforms zijn aantrekkelijk vanwege hun niet-invasieve, eenvoud en flexibiliteit in de klinieken. 1 Uitgebreid onderzoek in het afgelopen decennium heeft verstrekt een verscheidenheid van platform technologieën, zoals nabij-infrarood licht verantwoordelijk goud (Au) nanocages bekleed met slimme polymeren, 2 foto-labiele, polymere nanodeeltjes (NP) geconjugeerd met drugs, 3 en zelf-geassembleerde porphysome nanovesicles. 4 echter deze technologieën nog in de preklinische stadia van ontwikkeling, en vereisen een duidelijk begrip en optimalisatie van parameters die bij het proces van het initiëren en controllen van de geneesmiddelafgifte.
Een van de eenvoudigste en gemakkelijk toegankelijke werkwijzen voor het bereiden van een dergelijk systeem is Au NPs integreren met thermisch-gevoelige liposomen 5,6, die beide zijn overal verkrijgbaar in de markt en zijn uitgebreid onderzocht in preklinische en klinische proeven ook. Ondanks de beperking van bindweefselmassages activering van Au NPs hun plasmonische golflengte, in vergelijking met nabij-infrarood-geactiveerde Au nanostructuren (bijvoorbeeld nanocages) Dit systeem heeft nog steeds grote belofte bij toediening in kleine dieren of topische afgifte bij mensen. 7 Er zijn een aantal vroege pogingen in het combineren van Au NP's met liposomen voor lichte geactiveerd release. 8-11 Terwijl de meeste van hen richten zich op de nieuwheid van materialen, moet de toegankelijkheid en schaalbaarheid problemen die moeten worden aangepakt. Bovendien, de verslagen over de mechanismen vrijlating gebruik van deze nanocarriers zijn nog beperkt.
Hierin de fabricage van fotogevoeligliposomen, tegelijk geladen met drugs en hydrofiele Au NP is beschreven. Calceïne wordt gebruikt als een modelverbinding de inkapselefficiëntie en het afgifteprofiel van het systeem te evalueren. Bovendien, in dit systeem, lichtabsorptie door Au NP verdwijnt de omringende micro in de vorm van warmte, wat resulteert in een verhoging van de lokale temperatuur. Lucht microbellen ontstaan tijdens de laser verwarmen en veroorzaken mechanische verbreking van liposomen (figuur 1). Het mechanisme van microbellen cavitatie wordt bevestigd door hydrofoon metingen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dunne film hydratatie is de gebruikelijke werkwijze voor het bereiden van liposomen. Organische oplosmiddelen (chloroform in dit geval) werd eerst gebruikt om de lipiden op te lossen en daarna verwijderd in een rotatieverdamper bij 37 ° C om een lipide dunne film op de kolf genereren. Deze lipide film werd gehydrateerd met een waterige oplossing die 60 mM calceïne en 5 nm Au NP. Tijdens het hydratatieproces, werd de temperatuur gehandhaafd rond 50 ° C en de kolf werd voortdurend geroerd door omzwenken. De sleut…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door de Tier-1 wetenschappelijk onderzoek fondsen door Singapore Ministerie van Onderwijs (RG 64/12 tot CX) en NTU-Northwestern Institute of nanogeneeskunde.
Materials
| 1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) | Avanti Polar Lipids (Alabama, US) | 850355P | Powder, Store at -20 °C |
| 1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphocholine (MPPC) | Avanti Polar Lipids (Alabama, US) | 855675P | Powder, Store at -20 °C |
| 1, 2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanol-amine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (ammonium salt) (DSPE-PEG2000) | Avanti Polar Lipids (Alabama, US) | 880120P | Powder, Store at -20 °C |
| Gold Nanoparticles | Sigma Aldrich | 752568-100mL | 5nm particles, stabilized at 0.1mM PBS |
| Calcein | Sigma Aldrich | C0875-10g | 60mM, pH 7.4 – adjusted using NaOH |
| phosphate buffered saline (PBS) | Sigma Aldrich | P5493 | 0.1 mM, pH 7.4 |
| Double distilled water | Millipore Milli-DI water purification system | ||
| Triton X100 | Sigma, Life Sciences | X-100 | To disrupt the liposomes to calculate total encapsulation |
| Rotavapor | Buchi (Switzerland) | R 210 | Used for Lipososme preparation |
| Heating bath | Buchi (Switzerland) | B 491 | Used for Lipososme preparation |
| Vacuum Controller | Buchi (Switzerland) | V-850 | Used for Lipososme preparation |
| Vacuum Pump | Buchi (Switzerland) | V-700 | Used for Lipososme preparation |
| Recirculation bath with temperature controller | Polyscience | Used for Lipososme preparation | |
| Mini-extruder assembly with heating block | Avanti Polar Lipids (Alabama, US) | 610000 | Used for extrusion of liposomes |
| Syringes, 1000 uL | Avanti Polar Lipids (Alabama, US) | 610017 | Used for extrusion of liposomes |
| Polycarbonate filter membrane, 200nm | Whatmann | 800281 | Used for extrusion of liposomes |
| Filter Support | Avanti Polar Lipids (Alabama, US) | 610014 | Used for extrusion of liposomes |
| PD 10 Desalting coulumns, Sephadex G-25 medium | GE Healthcare, Life sciences | 17-0851-01 | Used to purify the liposomes |
| Centrifuge | Sigma Laboratory Centrifuges | 3K30 | Used to concentrate the liposomal solution |
| Rotor | Sigma | 19777-H | Used to concentrate the liposomal solution |
| Zetasizer | Nano ZS Malvern | Used for the determination of liposome size and zetapotential | |
| UV- Visible Spectrophotometer | Shimadzu | UV-2450 | Used to measure the absorbance of the samples |
| Fluorescent Spectrofluorometer | Molecular Devices | SpectraMax M5 | Used to measure the fluorescence emission of the samples |
| Nd:YAG Laser | NewWave Research | 532 nm; Maximum power: 17mJ; Width: 406 ns; Used for sample irradiation | |
| HNR Hydrophone | ONDA | HNR-1000 | 1000 mm diameter and 450 nV/Pa sensitivity, Proper working frequency range: 0.25-10 MHz; Calibration: 50 mV/Bar; Used to measure the acoustic signals |
| Digital Osciloscope | LECORY – Wave Runner 64Xi-A | Frequency: 600 MHz; Max sample rate : 10 Gs/s (at two channel); Used to record the measured acoustic signals |
References
- McCoy, C. P., et al. Triggered drug delivery from biomaterials. Expert Opin. Drug Deliv. 7 (5), 605-616 (2010).
- Yavuz, M. S., et al. Gold nanocages covered by smart polymers for controlled release with near-infrared light. Nat. Mater. 8 (12), 935-939 (2009).
- Gohy, J. F., Zhao, Y. Photo-responsive block copolymer micelles: design and behavior. Chem. Soc. Rev. 42 (17), 7117-7129 (2013).
- Lovell, J. F., et al. Porphysome nanovesicles generated by porphyrin bilayers for use as multimodal biophotonic contrast agents. Nat. Mater. 10 (4), 324-332 (2011).
- Needham, D., Dewhirst, M. W. The development and testing of a new temperature-sensitive drug delivery system for the treatment of solid tumors. Adv. Drug Deliv. Rev. 53 (3), 285-305 (2001).
- Landon, C. D., Park, J. Y., Needham, D., Dewhirst, M. W. Nanoscale drug delivery and hyperthermia: the materials design and preclinical and clinical testing of low temperature-sensitive liposomes used in combination with mild hyperthermia in the treatment of local cancer. Open Nanomed. J. 3, 38-64 (2011).
- Sykes, E. A., Dai, Q., Tsoi, K. M., Hwang, D. M., Chan, W. C. Nanoparticle exposure in animals can be visualized in the skin and analysed via skin biopsy. Nat. Commun. 5, 3796 (2014).
- Paasonen, L., et al. Gold nanoparticles enable selective light-induced contents release from liposomes. J. Control. Release. 122 (1), 86-93 (2007).
- Wu, G., et al. Remotely Triggered Liposome Release by Near-Infrared Light Absorption via Hollow Gold Nanoshells. J. Am. Chem. Soc. 130 (26), 8175-8177 (2008).
- Leung, S. J., Kachur, X. M., Bobnick, M. C., Romanowski, M. Wavelength-Selective Light-Induced Release from Plasmon Resonant Liposomes. Adv. Funct. Mater. 21 (6), 1113-1121 (2011).
- Volodkin, D. V., Skirtach, A. G., Möhwald, H. Near-IR Remote Release from Assemblies of Liposomes and Nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed. 48 (10), 1807-1809 (2009).
- Mills, J. K., Needham, D. Lysolipid incorporation in dipalmitoylphosphatidylcholine bilayer membranes enhances the ion permeability and drug release rates at the membrane phase transition. Biochim. Biophys. Acta. 1716 (2), 77-96 (2005).
- Jiang, K., Smith, D. A., Pinchuk, A. O. Size-dependent Photothermal Conversion Efficiencies of Plasmonically Heated Gold Nanoparticles. J. Phys. Chem. C. 117 (51), 27073-27080 (2013).
- Chongsiriwatana, N., Barron, A., Giuliani, A., Rinaldi, A. C. Comparing bacterial membrane interaction of antimicrobial peptides and their mimics. Antimicrobial Peptides. 618, 171-182 (2010).
- Egerev, S., et al. Acoustic signals generated by laser-irradiated metal nanoparticles. Appl. Opt. 48 (7), C38-C45 (2009).
- González, M. G., Liu, X., Niessner, R., Haisch, C. Strong size-dependent photoacoustic effect on gold nanoparticles by laser-induced nanobubbles. Appl. Phys. Lett. 96, 174104 (2010).
