Syntese og karakterisering av Amfifile Gold nanopartikler
Summary
Amfifile gull nanopartikler kan brukes i mange biologiske anvendelser. En protokoll for å syntetisere gull nanopartikler belagt av en binær blanding av ligander og en detaljert karakterisering av disse partiklene er presentert.
Abstract
Gull nanopartikler dekket med en blanding av 1-octanethiol (OT) og 11-mercapto-1-undecane sulfonsyrer acid (MUS) har blitt grundig studert på grunn av deres interaksjon med cellemembraner, lipid bilayers, og virus. De hydrofile ligander gjør disse partiklene colloidally stabile i vandige oppløsninger og kombinasjonen med hydrofobe ligander skaper en amfifile partikkel som kan lastes med hydrofobe legemidler, sikring med lipid membraner, og motstå uspesifisert absorpsjon av protein. Mange av disse egenskapene er avhengig av nanopartikkel størrelse og sammensetningen av ligand kallet. Det er derfor avgjørende å ha en reproduserbar syntetisk metode og pålitelig karakterisering teknikker som tillater fastsettelse av nanopartikkel egenskaper og ligand skallet sammensetning. Her presenteres en en-fase kjemisk reduksjon, etterfulgt av en grundig rensing for å syntetisere disse nanopartikler med diametere under 5 NM. Forholdet mellom de to ligander på overflaten av nanopartikkel kan stilles inn gjennom deres støkiometriske ratio brukes under syntese. Vi viser hvordan ulike rutinemessige teknikker, slik som overføring elektron mikroskopi (TEM), kjernefysisk magnetisk resonans (NMR), termogravimetriske analyse (TGA), og ultrafiolett-synlig (UV-Vis) massespektrometri, kombineres til omfattende karakteriserer de fysikalsk parametrene til nanopartikler.
Introduction
Det ligand skallet av gull nanopartikler kan være konstruert for å vise flere forskjellige egenskaper som kan brukes til å løse utfordringer i biomedisin1,2,3,4. Slik allsidighet gir mulighet for kontroll av Intermoleylære interaksjoner mellom nanopartikler og biomolekyler5,6,7. Hydrofobisiteten og lad spiller en avgjørende rolle, i tillegg til andre overflate parametre som påvirker hvordan nanopartikler samhandler med biomolekyler5,8,9. For å justere nanopartikler ‘ overflateegenskaper, valg av thiolate molekyler som utgjør det ligand skallet tilbyr en myriade av muligheter, i henhold til de ønskede egenskaper. For eksempel brukes en blanding av ligand molekyler med hydrofobe og hydrofile (f.eks.ladet) slutt grupper ofte til å generere amfifile nanopartikler10,11.
Et prominent eksempel på denne typen nanopartikler er beskyttet av en blanding av OT og mus (heretter kalt mus: OT nanopartikler) som har vist å ha mange relevante egenskaper12,13,14. Først med en ligand skall sammensetning av 66% MUS (heretter 66:34 MUS: OT), er kolloidalt stabiliteten av nanopartikler høy, og nådde opp til 33% i vekt i deionisert vann, så vel som i fosfat-bufret saltvann (1x, 4 mM fosfat, 150 mM NaCl)15. Dessuten, disse partiklene ikke utløse ved relativt lave pH-verdier: for eksempel ved pH 2,3 og med salt konsentrasjoner på 1 M NaCl15, forblir disse nanopartikler colloidally stabile i månedsvis. Det støkiometriske forholdet mellom de to molekylene på ligand kallet er viktig fordi det dikterer den kolloidalt stabiliteten i løsninger med en høy ioniske styrke16.
Disse partiklene har vist seg å krysse cellemembranen uten å porating den, via en energi uavhengig vei1,12. Den spontane fusjon mellom disse partiklene og lipid bilayers ligger til grunn for deres diffusivity gjennom cellemembraner17. Mekanismen bak denne samhandlingen er minimering av kontakt mellom et hydrofobe løsemiddel-tilgjengelig overflateareal og vannmolekyler ved fusjon med lipid bilayers18. Sammenlignet med all-MUS nanopartikler (nanopartikler har bare MUS ligand på skallet), jo høyere hydrofobisiteten på blandede MUS: OT nanopartikler (for eksempel ved en 66:34 MUS: OT sammensetning) øker span av kjernen diameter som kan fusjonere med lipid bilayers18. Forskjellige selv montering organisasjoner av ligand skallet relatere til distinkte bindende moduser av 66:34 MUS: OT nanopartikler med ulike proteiner, slik som albumin og ubiquitin, sammenlignet med all-MUS partikler19. Nylig har det blitt rapportert at 66:34 MUS: OT nanopartikler kan utnyttes som en bredspektret antiviral agent som irreversibelt ødelegger virus på grunn av multivalent elektrostatiske bindinger med MUS ligander og nonlocal koblinger av OT ligander til kapsid proteiner14. I alle disse tilfellene, det har blitt funnet at hydrofobe innhold, samt kjernen størrelsen på nanopartikler, bestemmer hvordan disse bio-nano interaksjoner finner sted. Disse ulike egenskapene til MUS: OT nanopartikler har bedt om mange datasimulering studier som tar sikte på å avklare mekanismene underbygger samspillet mellom MUS: OT partikler og ulike biologiske strukturer som lipid bilayers20.
Utarbeidelse av MUS: OT-beskyttet au nanopartikler utgjør noen utfordringer. For det første, det ladet ligand (MUS) og hydrofobe ligand (OT) er ublandbare. Dermed må løselighet av nanopartikler og ligander tas hensyn til gjennom syntesen, så vel som under karakterisering. I tillegg påvirker renheten til MUS-ligand molekyler – spesielt innholdet av uorganiske salter i Start materialet – kvaliteten, reproduserbarhet, samt kort-og langsiktig kolloidalt stabilitet av nanopartikler.
Her, en detaljert syntese og karakterisering av denne klassen av amfifile gull nanopartikler beskyttet av en blanding av MUS og OT er skissert. En protokoll for syntesen av den negativt ladet MUS-ligand rapporteres å sikre renheten og dermed reproduserbarheten til forskjellige nanopartikkel synteser. Deretter er prosedyren for å generere disse nanopartikler, basert på en felles en-fase syntese, etterfulgt av grundig rensing, rapportert i detalj. Ulike nødvendige karakterisering teknikker21, som tem, UV-Vis, TGA, og NMR, har blitt kombinert for å få alle de nødvendige parametrene for ytterligere biologiske eksperimenter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen beskriver først syntesen av MUS ligand og, da, syntese og karakterisering av amfifile MUS: OT gull nanopartikler. Syntetisere MUS med minimalt saltinnhold muliggjør en bedre pålitelighet av støkiometriske forholdet mellom ligander under nanopartikkel syntese, som er en nøkkelfaktor for reproduserbar syntese av MUS: OT nanopartikler med et mål hydrofobe innhold (Figur 8). Bruk av metanol som et vanlig løsemiddel for MUS og OT, sammen med syntesen av partiklene i etano…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. og F.S. takker Swiss National Science Foundation og, spesielt, NCCR ‘ molekylær Systems Engineering ‘. Z.L. og F.S. takker støtte fra Swiss National Science Foundation divisjon II stipend. Alle forfatterne takker QUY Ong for fruktbare diskusjoner og for korrekturlesing manuskriptet.
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).
