סינתזה ואפיון חלקיקי זהב אמפיפילי
Summary
חלקיקי זהב אמפיפילי ניתן להשתמש ביישומים ביולוגיים רבים. פרוטוקול לסנתז חלקיקי זהב מצופה על ידי תערובת בינארית של ליגנדס ואפיון מפורט של חלקיקים אלה מוצג.
Abstract
חלקיקי זהב מכוסים בתערובת של 1-octanethiol (OT) ו -11-mercapto-1-החומצה sulfonic (MUS) נחקרו בהרחבה בגלל האינטראקציות שלהם עם ממברנות התא, bilayers השומנים, ווירוסים. ההידרופיפילית מאפשר לחלקיקים האלה להיות יציבים בפתרונות מימית והשילוב עם ליגולי הידרופובי יוצר חלקיק אמפיפילי שניתן לטעון עם תרופות הידרופוביות, הפתיל עם קרום השומנים והתנגדות לא ספציפית ספיחה חלבונים. רבים ממאפיינים אלה תלויים ננו-חלקיק גודל והרכב של ליגו המעטפת. לפיכך, חיוני להיות בעלי שיטה סינתטית ושיטות אפיון אמינות המאפשרות קביעת הנכסים הננו-חלקיק והרכב התרמילים. כאן, הפחתה בשלב אחד כימי, ואחריו טיהור יסודי כדי לסנתז חלקיקים אלה עם קטרים מתחת 5 ננומטר, מוצג. ניתן לכוונן את היחס בין שני הלישנים על פני השטח של הננו-חלקיק דרך היחס הסטואימטרי שלהם המשמש במהלך הסינתזה. אנו מדגימים כיצד טכניקות שגרתיות שונות, כגון שידור אלקטרון מיקרוסקופ (TEM), תהודה מגנטית גרעינית (NMR), ניתוח תרמוגרבימטרי (TGA), ו אולטרה סגול-גלוי (UV-Vis) ספקטרומטריה, משולבים באופן מקיף אפיון הפרמטרים הפיזיקליים של חלקיקי החלקיקים.
Introduction
ליגונים פגז של חלקיקי זהב ניתן לתכנן להציג מספר תכונות שונות, כי ניתן להחיל על אתגרים כתובת ביודינין1,2,3,4. רב-תכליתיות כזו מאפשרת את השליטה של האינטראקציות הבינמולקולריות בין חלקיקים ו biomolecules5,6,7. Hydrophobicity ואת החיוב לשחק תפקיד מכריע, כמו גם פרמטרים אחרים משטח המשפיעים כיצד חלקיקים אינטראקציה עם biomolecules5,8,9. כדי לכוונן את מאפייני השטח של חלקיקים, את הבחירה של מולקולות thiolate העושים את ליגו פגז מציע מספר עצום של אפשרויות, על פי המאפיינים המבוקש. לדוגמה, תערובת של ליגנד מולקולות עם הידרופובי והידרופיפילית (למשל, טעונה) קבוצות הקצה משמשות לעתים קרובות כדי לייצר חלקיקי חלקיקים10,11.
דוגמה אחת בולטת של סוג זה של חלקיקי חלקיקים מוגן על ידי תערובת של OT ו-mus (להלן הנקרא MUS: OT חלקיקים) כי הוכח להחזיק נכסים רלוונטיים רבים12,13,14. ראשית, עם הרכב ליגולי פגז של 66% MUS (להלן 66:34 MUS: OT), את היציבות הקולאידית של חלקיקים הוא גבוה, להגיע עד 33% במשקל במים מוהים, כמו גם מלוחים באגירה פוספט (1x, 4 מ”מ פוספט, 150 מ”מ הנאל)15. יתר על כן, חלקיקים אלה לא מזרז את ערכי ה-pH נמוך יחסית: למשל, ב-pH 2.3 עם ריכוזי מלח של 1 M הנאל15, חלקיקים אלה נשארים יציבים באופן מעשי במשך חודשים. היחס הסטואיכמטרי בין שתי המולקולות על התרמיל חשוב משום שהוא מכתיב את היציבות הקולאידית בפתרונות עם כוח יוניים גבוה16.
חלקיקים אלה הוכחו לחצות את קרום התא מבלי לקבל את זה, דרך האנרגיה עצמאית מסלול1,12. המיזוג הספונטני בין החלקיקים האלה לבין השומנים הללו מהווה את התפוצתם דרך ממברנות התאים17. המנגנון מאחורי האינטראקציה הזאת הוא מיניטיזציה של מגע בין שטח שטח נגיש הידרופובי ומולקולות מים על היתוך עם bilayers השומנים18. לעומת חלקיקי כל-MUS (חלקיקים שיש רק את ה-mus ליגנד על המעטפת שלהם), ההידרופוטטי גבוה יותר ב-mus מעורב: ot חלקיקים (למשל, ב 66:34 mus: ot הרכב) מגדיל את הטווח של קוטר הליבה כי יכול הפתיל עם השומנים . בילאיירס18 ארגוני הרכבה עצמית שונים של הליפס והפגז מתקרבים למצבי קשירה נפרדים של 66:34 MUS: OT חלקיקים עם חלבונים שונים, כגון אלבומין ו אוביקוויב, בהשוואה לחלקיקים כל-MUS19. לאחרונה, זה דווח כי 66:34 MUS: OT חלקיקים יכולים להיות מנוצל כסוכן הספקטרום רחב ויראלי כי בלתי הפיך הורס את וירוסים בגלל איגודים אלקטרוסטטית רב-שכבתי של ליגניות וזיווגים לא מקומיים של OT ליגנדס לקפיסיד חלבונים14. בכל המקרים האלה, זה נמצא כי התוכן הידרופובי, כמו גם גודל הליבה של חלקיקים, קובע כיצד האינטראקציות ביו-ננו מתקיימים. אלה תכונות מגוונות של MUS: OT חלקיקים התבקשו מחקרים רבים סימולציה המחשב שמטרתו להבהיר את המנגנונים המהצמדת את האינטראקציות בין MUS: OT חלקיקים ומבנים ביולוגיים שונים כגון bilayers השומנים20.
הכנת מיוז: מוגנים Au חלקיקים מהווה כמה אתגרים. ראשית, הליגאות (MUS) וההידרופובי (מארה) מimmiscible. כך, את הסיסות של חלקיקי חלקיקים והליידיים צריך להילקח בחשבון לאורך כל הסינתזה, כמו גם במהלך האפיון. בנוסף, הטוהר של מולקולות מקומיים-במיוחד, התוכן של מלחים אורגניים בחומר ההתחלתי-משפיע על האיכות, התוכסות, כמו גם את היציבות קצר ולטווח ארוך של חלקיקי חלקיקים.
כאן, סינתזה מפורטת ואפיון של מחלקה זו של חלקיקי זהב אמפיפילי מוגנים על ידי תערובת של MUS ו-OT מתוארים. פרוטוקול לסינתזה של ה-MUS הטעונה שלילית ומדווח על מנת להבטיח את הטוהר, ומכאן, את השגות הננו-חלקיק תזות שונות. לאחר מכן, ההליך להפקת חלקיקים אלה, מבוסס על סינתזה משותף בשלב אחד, ואחריו טיהור יסודי, מדווח בפרוטרוט. שיטות אפיון הכרחי שונים21, כגון TEM, UV-VIS, tga, ו nmr, שולבו כדי להשיג את כל הפרמטרים הדרושים עבור כל ניסויים ביולוגיים נוספים.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר תחילה את הסינתזה של MUS ליגונים ולאחר מכן, סינתזה ואפיון של מטוס ממוס: OT חלקיקי זהב. סינתזה MUS עם תוכן מלח מינימלי מאפשר אמינות טובה יותר של היחס stoichiometric בין הליחים במהלך סינתזה הננו-חלקיק, שהוא גורם מפתח לסינתזה ה, של MUS: OT חלקיקים עם הידרופובי היעד תוכן (איור 8)…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. ו-F.S. מודים הקרן הלאומית למדעים השוויצרי, במיוחד, NCCR ‘ הנדסת מערכות מולקולרית. Z.L. ו F.S. מודים לתמיכה של מלגת המדע הלאומי השוויצרי הקרן השנייה. כל הסופרים מודים לקיי אונג לדיונים פוריים ולהגהת כתב היד.
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).
