Syntese af Immunotargeted Magneto-plasmoniske nanoklynger
Summary
Her beskriver vi en protokol til syntese af magneto-plasmoniske nanopartikler med en stærk magnetisk moment og en stærk nær-infrarødt (NIR) absorbans. Protokollen indeholder også antistofkonjugation for nanopartiklerne gennem Fc-delen til forskellige biomedicinske anvendelser, der kræver molekylær målretning.
Abstract
Magnetiske og plasmoniske egenskaber kombineret i et enkelt nanopartikel giver en synergi, der er fordelagtig i en række biomedicinske applikationer, herunder kontrastforbedring i nye magnetomotoriske afbildningsmodaliteter, samtidig indfangning og påvisning af cirkulerende tumorceller (CTCs) og multimodale molekylær billeddannelse kombineret med fototermisk terapi af kræftceller. Disse applikationer har stimuleret betydelig interesse i udvikling af protokoller til syntese af magneto-plasmoniske nanopartikler med optisk absorbans i det nær-infrarøde (NIR) område og en stærk magnetisk øjeblik. Her præsenterer vi en ny protokol til syntese af sådanne hybride nanopartikler, der er baseret på en olie-i-vand mikroemulsion metoden. Det unikke i protokollen beskrevet heri syntese af magneto-plasmoniske nanopartikler i forskellige størrelser fra primære blokke, som også har magnetisk-plasmoniske egenskaber. Denne fremgangsmåde giver nanopartikler med en høj huleversitet magnetiske og plasmoniske funktionaliteter, som er jævnt fordelt over hele nanopartikel volumen. Den hybride nanopartikler kan let funktionaliseret ved at fastgøre antistoffer via Fc-delen forlader Fab-delen, der er ansvarlig for antigenbinding tilgængelige for målretning.
Introduction
Hybrid nanopartikler bestående af forskellige materialer med forskellige fysisk-kemiske egenskaber kan åbne nye muligheder i biomedicinske anvendelser, herunder multimodal molekylær billeddannelse, levering af terapi og overvågning, ny screening og diagnostiske assays 1-3. Kombinationen af plasmoniske og magnetiske egenskaber i en enkelt nanopartikel er af særlig interesse, fordi det giver en meget stærk lysspredning og absorption tværsnit forbundet med plasmon resonanser og lydhørhed over for et magnetfelt. For eksempel blev magneto-plasmoniske nanopartikler anvendes til at forøge kontrasten i mørke inden billeddannelse af mærkede celler ved at anvende en tidsmæssig signalmodulationen via en ekstern elektromagnet 3-5. For nylig blev en lignende princip anvendes i udviklingen af en ny afbildningsmodalitet – Magnetisk-fotoakustisk billeddannelse, hvor magnetisk-plasmoniske nanopartikler muliggøre store forbedringer i kontrast og signal-baggrund rotteIO 6,7. Det blev også vist, at de hybride nanopartikler kan anvendes til samtidig opsamling og påvisning af cirkulerende tumorceller i fuldblod og in vivo 8,9. Desuden er magnetisk-plasmoniske nanopartikler lovende theranostic midler, som kan anvendes til molekylær specifik optisk og MR billeddannelse kombineret med fototermisk terapi af cancerceller 10.
Adskillige fremgangsmåder blev udforsket til syntese af magneto-plasmoniske nanopartikler. For eksempel Yu et al. Udnyttet nedbrydning og oxidation af Fe (CO) 5 om guld nanopartikler til at danne håndvægt-lignende bifunktionelle Au-Fe 3 O 4 nanopartikler 11. Wang et al. Har syntetiseret guldbelagt jernoxid nanopartikler ved hjælp af termisk nedbrydning metode 12. Nogle andre tilgange afhængige overtrækspolymer eller aminfunktionelle molekyler på magnetiske kerne nanopartikler efterfulgt af aflejring af aggamle Shell på polymeroverfladen til at skabe den hybride partikler 7,13. Desuden blev jern-oxid nanopartikler bundet til guld nanorods via elektrostatiske interaktioner eller en kemisk reaktion 14,15. Selv om disse metoder giver magneto-plasmoniske nanostrukturer de kompromis til dels egenskaber af magneto-plasmoniske kombination såsom optisk absorbans i det nær-infrarøde (NIR) vindue eller en stærk magnetisk moment som begge er meget ønskelige i biomedicinske anvendelser. For eksempel håndvægt Au-Fe 3 O 4 nanopartikler har en plasmonresonans top ved 520 nm, hvilket begrænser deres anvendelighed in vivo på grund af høj væv turbiditet i dette spektralområde. Endvidere er de magnetisk-plasmoniske nanopartikler fremstillet ved nuværende protokoller begrænset til kun ét 11 eller få (mindre end 10) 14,15 superparamagnetiske dele (fx jernoxid nanopartikler), der er betydeligt mindre end hvad der kunne achieved i en tætpakket nanostruktur. For eksempel kan en tætpakket 60 nm diameter sfærisk nanopartikel indeholde på rækkefølgen af et tusind af 6 nm superparamagnetiske nanopartikler. Derfor er der en stor plads til forbedring magnetiske egenskaber af den hybride nanopartikler. Endvidere er nogle af de tidligere beskrevne protokoller er relativt komplekse og kræver omhyggelig optimering for at undgå partikelaggregering under syntesen 14,15.
Her beskriver vi en protokol til syntese af magneto-plasmoniske nanopartikler med en stærk magnetisk moment og en stærk NIR absorbans, der løser store begrænsninger i den aktuelle kunst. Syntesen har sin oprindelse i olie-i-vand mikroemulsion metode 16. Den er baseret på samling af nanopartikler af en ønsket størrelse fra en meget mindre primære partikler. Denne fremgangsmåde er med held blevet anvendt til at fremstille nanostrukturer fra et enkelt materiale, såsom guld, jernoxid og halvleder primary partiklerne 16. Vi har udvidet det til syntese af magneto-plasmoniske nanopartikler ved først at lave 6 nm diameter guld Shell / jernoxidkernen partikler, og derefter samle de primære hybrid partikler i den endelige sfæriske nanostruktur. Montering primære partikler i nanoklynger gør ikke blot forbedrer egenskaberne af konstituerende nanopartikler, såsom at opnå en stærkere magnetisk øjeblik, mens superparamagnetiske egenskaber bevares, men også udnytter samspillet mellem de enkelte nanopartikler og dermed skaber nye egenskaber fraværende fra de konstituerende nanopartikler, såsom stærk optisk absorbans i NIR-vinduet. Denne protokol giver hybrid nanopartikler med en høj tæthed af magnetiske og plasmoniske funktionaliteter. Efter primære partikler syntetiseres vores metode er i det væsentlige en enkel one-pot-reaktion. Den samlede plasmonresonans styrke og magnetisk moment bestemmes ved en række af primære partikler, og therør, kan let optimeres afhængig af en ansøgning. Desuden har vi også udviklet en procedure for antistofkonjugation til de hybride nanopartikler til forskellige biomedicinske anvendelser, der kræver molekylær målretning. Antistoffer bundet via Fc-delen forlader Fab-delen, der er ansvarlig for antigenbinding tilgængelige for målretning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trin i en vellykket syntese af magneto-plasmoniske nanoklynger omfatter gør meget monodisperse primær guld Shell / jernoxidkernen nanopartikler og lede selvsamling af de primære partikler i nanoklynger. Et molforhold mellem de primære partikler og overfladeaktive midler spiller en vigtig rolle i bestemmelse af størrelsesfordelingen af nanoklynger. Ikke-ensartet størrelse fordeling af primære nanopartikler kan forårsage dannelse af store aggregater under samling af magnetisk-plasmoniske nanoklynger…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet delvist af NIH tilskud R01 EB008101 og R01 CA103830.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| PYREX 50mL Round Bottom Boiling Flask with Short Neck & 24/40 [ST] Joint | Corning | 4320A-50 | Thermal decomposition reaction |
| PYREX 41 x 300mm 5-Bulb Allihn Condenser with 24/40 [ST] Outer/Inner Joints | Corning | 2480-300 | Thermal decomposition reaction |
| Silicone Oil | Fisher | S159-500 | Oil bath |
| Hot Plate Stirrer | Corning | PC-351 | Heat the reacton with stirring function |
| Thermometer | ThermoWorks | 221-092 | Measure temperature |
| Iron (III) Acetylacetonate | Fisher | AC11913-0250 | Materials for primary hybrid nanoparticles synthesis |
| Oleic Acid 99% | Fisher | A195-500 | |
| Gold (III) Acetate | Fisher | AA3974206 | |
| Hexane | Fisher | H292-1 | |
| Phenyl Ether 99% | Fisher | AC13060-0025 | |
| 1,2-Hexadecanediol 90% | Sigma | 213748-50G | |
| Oleylamine 70% | Sigma | O7805-100G | |
| Sodium Dodecyl Sulfate | Fisher | BP166-100 | Cluster synthesis |
| Sodium Citrate Dihydrate | Sigma | W302600 | |
| Monoclonal Anti-EGF Receptor Antibody | Sigma | E2156 | Cell labeling specificity test |
| Monoclonal Anti-HER2 Antibody | Sigma | AMAB90627 | Cell labeling specificity test |
| Sodium Periodate | Sigma | 311448 | Oxidate Fc region of antibodies |
| Dithiolaromatic PEG6-CONHNH2 | SensoPath Technologies | SPT-0014B | Heterofunctional linker for antibody conjugation to nanoclusters |
| Methoxy-PEG-thiol, 5k | Creative PEGworks | PLS-604 | Passivate the remaining gold surface after antibody conjugation |
| Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter Unit with Ultracel-10 membrane | Millipore | UFC801008 | Protien purification |
| HEPES | Sigma | H3375 | Buffer |
| PBS, 1X Solution | Fisher | BP2438-20 | Buffer |
| UV−vis Spectroscopy | BioTek | Synergy HT | Obtain spectrum |
| Centrifuge | Eppendorf | 5810R | Separation |
| Transmission Electron Microscope | FEI | TECNAI G2 F20 X-TWIN | Obtain morphology of nanostructures |
| Upright microscope | Leica | DM6000 | Obtain dark-field images |
| Sonicator | Branson | 1510 | Sonication |
| Carbon Film 300 Mesh Grid | EMS | CF300-Cu | TEM imaging |
| 96-well Plate | Corning | 09-761-145 | UV-vis reading plate |
Riferimenti
- Bigall, N. C., Parak, W. J., Dorfs, D. Fluorescent, magnetic and plasmonic—Hybrid multifunctional colloidal nano objects. Nano Today. 7, 282-296 (2012).
- Gautier, J., Allard-Vannier, E., Herve-Aubert, K., Souce, M., Chourpa, I. Design strategies of hybrid metallic nanoparticles for theragnostic applications. Nanotechnology. 24, 432002 (2013).
- Wei, Q., Wei, A. Optical imaging with dynamic contrast agents. Chimica. 17, 1080-1091 (2011).
- Aaron, J. S., et al. Increased optical contrast in imaging of epidermal growth factor receptor using magnetically actuated hybrid gold/iron oxide nanoparticles. Optics express. 14, 12930-12943 (2006).
- Song, H. -. M., Wei, Q., Ong, Q. K., Wei, A. Plasmon-resonant nanoparticles and nanostars with magnetic cores: synthesis and magnetomotive imaging. ACS nano. 4, 5163-5173 (2010).
- Qu, M., et al. Magneto-photo-acoustic imaging. Biomedical optics express. 2, 385-396 (2011).
- Jin, Y., Jia, C., Huang, S. -. W., Donnell O&39, M., Gao, X. Multifunctional nanoparticles as coupled contrast agents. Nature communications. 1, 41 (2010).
- Wu, C. -. H., et al. Versatile Immunomagnetic Nanocarrier Platform for Capturing Cancer Cells. ACS. 7, 8816-8823 (2013).
- Galanzha, E. I., et al. In vivo magnetic enrichment and multiplex photoacoustic detection of circulating tumour cells. Nature nanotechnology. 4, 855-860 (2009).
- Larson, T. A., Bankson, J., Aaron, J., Sokolov, K. Hybrid plasmonic magnetic nanoparticles as molecular specific agents for MRI/optical imaging and photothermal therapy of cancer cells. Nanotechnology. 18, 325101 (2007).
- Yu, H., et al. Dumbbell-like bifunctional Au-Fe3O4 nanoparticles. Nano letters. 5, 379-382 (2005).
- Wang, L., et al. Monodispersed core-shell Fe3O4@Au nanoparticles. The journal of physical chemistry. B. 109, 21593-21601 (2005).
- Wang, H., Brandl, D. W., Le, F., Nordlander, P., Halas, N. J. Nanorice: a hybrid plasmonic nanostructure. Nano letters. 6, 827-832 (2006).
- Hu, X., et al. Trapping and Photoacoustic Detection of CTCs at the Single Cell per Milliliter Level with Magneto‐Optical Coupled Nanoparticles. Small. 9, 2046-2052 (2013).
- Truby, R. L., Emelianov, S. Y., Homan, K. A. Ligand-mediated self-assembly of hybrid plasmonic and superparamagnetic nanostructures. Langmuir. 29, 2465-2470 (2013).
- Bai, F., et al. A Versatile Bottom‐up Assembly Approach to Colloidal Spheres from Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6650-6653 (2007).
