Синтез и характеристика амфифилических золотых наночастиц
Summary
Наночастицы амфифилического золота могут быть использованы во многих биологических применениях. Представлен протокол обобщить золотые наночастицы, покрытые бинарной смесью лигандов, и подробную характеристику этих частиц.
Abstract
Золотые наночастицы, покрытые смесью 1-октанетиола (OT) и 11-меркапто-1-undecane сульфонической кислоты (MUS) были широко изучены из-за их взаимодействия с клеточными мембранами, липидными двуслойиками и вирусами. Гидрофильные лиганды делают эти частицы коллоидно стабильными в входящих растворах, а сочетание с гидрофобными лигандами создает амфифиловую частицу, которая может быть загружена гидрофобными препаратами, предохранителем липидных мембран и противостоять неспецифическим белка адсорбции. Многие из этих свойств зависят от размера наночастиц и состава оболочки лиганда. Поэтому крайне важно иметь воспроизводимый синтетический метод и надежные методы характеристики, которые позволяют определить свойства наночастиц и состав оболочки лиганда. Здесь представлено однофазное химическое сокращение, за которым последует тщательная очистка для синтеза этих наночастиц диаметром менее 5 нм. Соотношение между двумя лигандами на поверхности наночастиц может быть настроено через их стойометрическое соотношение, используемое во время синтеза. Мы демонстрируем, как различные обычные методы, такие как электронная микроскопия передачи (TEM), ядерный магнитный резонанс (NMR), термогравиметрический анализ (TGA) и ультрафиолетовая видимая (УФ-Вис) спектрометрия, объединяются в комплексно характеризуют физико-химические параметры наночастиц.
Introduction
Лиганд оболочки золотых наночастиц могут быть разработаны, чтобы показать несколько различных свойств, которые могут быть применены для решения проблем в биомедицине1,2,3,4. Такая универсальность позволяет контролировать межмолекулярные взаимодействия между наночастицамии биомолекулами 5,6,7. Гидрофобность и заряд играют решающую роль, а также другие параметры поверхности,которые влияют на то, как наночастицы взаимодействуют с биомолекулами 5,8,9. Для настройки поверхностных свойств наночастиц выбор молекул тиолата, которые составляют оболочку лиганда, предлагает множество возможностей, в соответствии с испрашиваемыми характеристиками. Например, смесь молекул лиганд с гидрофобными игидрофильные (например, заряженные) конечные группы часто используются для генерации амфифильных наночастиц10,11.
Один из ярких примеров этого типа наночастиц защищен смесью OT и MUS (в дальнейшем называется MUS:OT наночастиц), которые, как было показано, обладают многими соответствующими свойствами12,13,14. Во-первых, с составом оболочки лиганда 66% MUS (далее 66:34 MUS:OT), коллоидная устойчивость наночастиц высока, достигая до 33% в весе в деионизированной воде, а также в фосфат-буферизированном соленом (1x, 4 мМ фосфат, 150 мМ NaCl)15. Более того, эти частицы не осаждается при относительно низких значениях рН: например, при рН 2,3 и при концентрации соли 1 M NaCl15эти наночастицы остаются коллоидно стабильными в течение нескольких месяцев. Stoichiometric соотношение между двумя молекулами на оболочке лиганда имеет важное значение, поскольку он диктует коллоидной стабильности в решениях с высокой ионной силой16.
Эти частицы были показаны, чтобы пройти клеточной мембраны без porating его, через энергонезависимый путь1,12. Спонтанное слияние между этими частицами и липидными двуслойными слоями лежит в основе их диффузии через клеточные мембраны17. Механизмом этого взаимодействия является минимизация контакта между гидрофобной областью поверхности, доступной для растворителя, и молекулами воды при слиянии с липидными двуслойками18. По сравнению с наночастицами all-MUS (наночастицы, имеющие только ЛИганду MUS на их оболочке), более высокая гидрофобность на смешанных наночастицах MUS:OT (например, при составе 66:34 MUS:OT) увеличивает пролет диаметра ядра, который может слиться с липидом двуслойные18. Различные организации самосборки оболочки лиганда коррелируют с различными режимами связывания 66:34 MUS:OT наночастиц с различными белками, такими как альбумин и убиквитин, по сравнению с частицами all-MUS19. Недавно было сообщено, что 66:34 MUS:OT наночастицы могут быть использованы в качестве широкого спектра спектра противовирусного агента, который необратимо разрушает вирусы из-за многовалентных электростатических связей MUS лигандов и нелокальных соединений OT лигандов для капсида белки14. Во всех этих случаях было установлено, что гидрофобное содержание, а также размер ядра наночастиц, определяет, как эти био-нано взаимодействия происходят. Эти разнообразные свойства MUS:OT наночастицы побудили многих исследований компьютерного моделирования, которые направлены на прояснение механизмов, лежащих в основе взаимодействия между частицами MUS:OT и различных биологических структур, таких как липидные дразнители20.
Подготовка наночастиц MUS:OT-защищенных Au создает несколько проблем. Во-первых, заряженный лиганд (MUS) и гидрофобный лиганд (OT) недопустимы. Таким образом, растворимость наночастиц и лигандов должна быть учтена во время синтеза, а также при характеристике. Кроме того, чистота молекул MUS ligand, в частности, содержание неорганических солей в исходном материале – влияет на качество, воспроизводимость, а также на краткосрочную и долгосрочную коллоидную стабильность наночастиц.
Здесь описан подробный синтез и характеристика этого класса амфифилических золотых наночастиц, защищенных смесью MUS и OT. Сообщается, что протокол синтеза отрицательно заряженного лиганда MUS обеспечивает чистоту и, следовательно, воспроизводимость различных синтезов наночастиц. Затем подробно сообщается о процедуре генерации этих наночастиц, основанной на общем однофазном синтезе с последующим тщательным очищением. Различные необходимые методы характеристики21,такие как TEM, UV-Vis, TGA и NMR, были объединены для получения всех необходимых параметров для любых дальнейших биологических экспериментов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает сначала синтез ЛИганда MUS, а затем синтез и характеристику амфифилических НАночастиц ЗОЛОТА MUS:OT. Синтез MUS с минимальным содержанием соли обеспечивает лучшую надежность стоихиометрического соотношения между лигандами во время синтеза наночастиц, что является …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
З.П.Г. и F.S. благодарят Швейцарский национальный научный фонд и, в частности, NCCR «Молекулярное инженерия систем». З.Л. и Ф.С. благодарят грант Швейцарского национального научного фонда No2. Все авторы благодарят Куи Онга за плодотворные дискуссии и за коррективы рукописи.
Materials
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| Separatory funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
References
- Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
- Yeh, Y. -. C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
- Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
- Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , (2014).
- Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
- Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
- Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
- Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
- Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
- Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
- Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
- Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
- Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
- Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
- Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
- Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
- Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
- Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
- Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
- Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
- Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
- Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
- Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
- Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).
