Gold Nanorod-assistert Optisk Stimulering av nerveceller
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
Nylige studier har vist at den forbigående oppvarming assosiert med absorpsjon av infrarødt lys med vann (bølgelengde> 1400 nm) kan brukes for å indusere aksjonspotensialer i nervevev 1 og intracellulære kalsium transienter i kardiomyocytter 2. Bruken av infrarødt lys har hevet stor interesse for anvendelser i nevrale proteser, på grunn av den potensielle finere romlig oppløsning, mangel på direkte kontakt med vevet, minimering av stimulerings gjenstander, og fjerning av behovet for å genetisk modifisere cellene før stimulering ( som kreves i optogenetics) 1. Til tross for alle disse fordelene, foreslo nylig utviklet termiske modeller som målet vev / celler kan påvirkes av kumulative oppvarming effekter, når flere stimulansesider og / eller høy repetisjon priser er brukt 3,4.
Som svar på disse utfordringene, har forskere anerkjent potensialet for å bruke ytre absorlemmer for nervestimulering for å produsere mer lokalisert oppvarming effekter i vev. Huang et al., Viste dette prinsipp ved hjelp av superparamagnetiske ferritt-nanopartikler til å fjernaktivere de temperaturfølsomme TRPV1 kanaler i HEK 293-celler med en radiofrekvens-magnetfelt 5. Selv om denne teknikken kan muliggjøre dypere penetrasjon (magnetiske felt samhandle relativt svakt med vev), ble reaksjonene bare registrert over perioder av sekunder, i stedet for millisekunders varighet kreves i bionic organene 5. Tilsvarende Farah et al. Demonstrert elektrisk stimulering av rotte kortikale nevroner med sorte mikropartiklene in vitro. De viste celle-nivå presisjon i stimulering ved hjelp pulsvarighetene på rekkefølgen av hundrevis av ps og energier i området μJ, potensielt åpner for raskere repetisjon priser 6.
Bruken av ytre dempere har også blitt anvendt for å induseremorfologiske endringer in vitro. Ciofani et al. Viste en ~ 40% økning i nevronale celleutvekst bruker piezoelektriske bornitrid nanorør opphisset av ultralyd 7. Tilsvarende har endocytose jernoksid nanopartikler i PC12-celler er rapportert å forbedre neurite differensiering på en doseavhengig måte, på grunn av aktivering av celleadhesjonsmolekyler med jernoksyd 8.
Nylig har interessen i ytre dempere å hjelpe nervestimulering også fokusert på bruk av gull nanopartikler (Au NPs). Au NPS har evnen til effektivt å absorbere laserlyset ved plasmonic topp, og for å spre den i det omgivende miljø i form av varme ni. Blant alle de tilgjengelige partikkelformer, beleilig matcher optisk absorpsjon av gull nanorods (Au NRS) det terapeutiske vinduet av biologiske vev (nær infrarød – NIR, bølgelengde mellom 750-1,400 nm) 10. Videre, i den fortsext av nervestimulering, bruk av Au NR'er gir relativt gunstig biokompatibilitet og et stort utvalg av overflatefunksjonalise alternativer 11. Nyere studier har vist at en stimulerende effekt på differensiering kan induseres etter kontinuerlig laser eksponeringer av Au NR'er i NG108-15 nevronale celler 12. Tilsvarende ble det intracellulære kalsium transienter registrert i neuronale celler dyrket med Au NR'er etter laserbestråling modulert med variable frekvenser og pulslengder på 13. Cellemembranen depolarization ble også registrert etter NIR laser belysning av Au NR'er i primærkulturer av spiral ganglion nevroner 14. Den første in vivo søknad med bestrålt Au NR'er har blitt demonstrert nylig. Eom og kollegaer utsatt Au NR'er på sitt plasmonic topp og spilt inn en seks-dobling i amplitude av sammensatte nerve aksjonspotensialer (CNAPs) og en tre-fold nedgang i stimulering terskel i rotte sciatic nervene. Den nodrede respons ble tilskrevet lokale varme effekter som følge av eksitasjon av NR plasmonic topp 15.
I denne artikkelen er det protokoller for å undersøke effekten av laser stimulering i NG108-15 nevronale celler dyrket med Au NR'er spesifisert. Disse metodene gir en enkel, men kraftig, måte å strålebehandling cellepopulasjonene in vitro ved hjelp av standard biologiske teknikker og materialer. Protokollen er basert på en fiber koplet laserdiode (LD) som tillater sikker drift og repeterbare innretting. De Au NR prøvepreparerings og laserbestrålingsmetoder kan videre utvides til forskjellige partikkel former og neuronale cellekulturer, forutsatt at de spesifikke syntese og dyrkningsmetoder er kjent, hhv.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollene er skissert i denne presentasjonen beskrive hvordan kultur, differensiere og optisk stimulere nevrale celler ved hjelp av ytre dempere. NR karakteristika (f.eks dimensjoner, form, plasmonresonans bølgelengde og overflatekjemi) og laserstimuleringsparametere (slik som bølgelengden, pulslengde, repetisjonsfrekvens, etc.) kan varieres for å passe forskjellige eksperimentelle behov. Virkningene på celle oppførsel kan overvåkes ved hjelp av standard biologiske analyser og materialer. Saml…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke NanoVentures Australia for reise finansiering støtte og professor John Haycock for å ha delvis vert denne forskningen ved Universitetet i Sheffield og Ms Jaimee Mayne for hennes hjelp under filmingen.
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).
