Sintesi di Immunotargeted magneto-plasmonica nanocluster
Summary
Qui, descriviamo un protocollo per la sintesi di nanoparticelle magneto-plasmonica con un forte momento magnetico e un forte vicino infrarosso (NIR) assorbanza. Il protocollo include anche anticorpi coniugazione alle nanoparticelle attraverso la porzione Fc per varie applicazioni biomediche che richiedono il targeting molecolare specifico.
Abstract
Proprietà magnetiche e plasmoniche combinati in una singola nanoparticella forniscono una sinergia che è vantaggioso in un certo numero di applicazioni biomediche, tra cui aumento del contrasto in nuove modalità di imaging magnetomotrice, la cattura simultanea e il rilevamento delle cellule tumorali circolanti (CTC), e imaging molecolare multimodale combinato con la terapia fototermica delle cellule tumorali. Queste applicazioni hanno stimolato notevole interesse per lo sviluppo di protocolli per la sintesi di nanoparticelle magneto-plasmonica con assorbanza ottica nel vicino infrarosso (NIR) regione e un forte momento magnetico. Qui, presentiamo un nuovo protocollo per la sintesi di tali nanoparticelle ibride che si basa su un metodo di microemulsione olio-in-acqua. La caratteristica unica del protocollo qui descritto è la sintesi di nanoparticelle magneto-plasmonica di varie dimensioni dai blocchi principali che hanno anche caratteristiche magneto-plasmonici. Questo approccio produce nanoparticelle con elevata densità di funzionalità magnetici e plasmoniche che sono distribuiti in modo uniforme in tutto il volume di nanoparticelle. Le nanoparticelle ibride possono essere facilmente funzionalizzati collegando anticorpi attraverso la porzione Fc lasciando la porzione Fab che è responsabile per il legame disponibili per il targeting antigene.
Introduction
Nanoparticelle ibride costituite da materiali diversi con diverse proprietà fisico-chimiche possono aprire nuove opportunità in applicazioni biomediche, tra cui l'imaging molecolare multimodale, l'erogazione della terapia e monitoraggio, nuovi screening e test diagnostici 1-3. La combinazione di proprietà plasmonici e magnetiche in una singola nanoparticella è di particolare interesse perché fornisce molto forti diffrazione della luce e di assorbimento sezioni associati risonanze plasmon e risposta ad un campo magnetico. Ad esempio, le nanoparticelle magneto-plasmonica sono stati usati per aumentare il contrasto in campo scuro imaging cellule marcate applicando un segnale di modulazione temporale tramite un elettromagnete esterno 3-5. Più di recente, un principio simile è stato applicato nello sviluppo di una nuova modalità di imaging – di imaging magneto-fotoacustica, dove nanoparticelle magneto-plasmonica consentono grandi miglioramenti in contrasto e segnale-fondo rattoio 6,7. È stato anche dimostrato che le nanoparticelle ibride possono essere usate per la cattura e la rilevazione di cellule tumorali circolanti nel sangue intero e in vivo 8,9 simultanea. Inoltre, le nanoparticelle magneto-plasmonica sono promettenti agenti Theranostic che possono essere utilizzati per l'imaging ottico e RM specifico molecolare combinato con la terapia fototermica delle cellule tumorali 10.
Diversi approcci sono stati esplorati per la sintesi di nanoparticelle magneto-plasmonica. Ad esempio, Yu et al. Decomposizione utilizzati e ossidazione di Fe (CO) 5 su nanoparticelle di oro per formare manubri come bifunzionali Au-Fe 3 O 4 nanoparticelle 11. Wang et al. Hanno sintetizzato oro rivestite di ferro ossido di nanoparticelle utilizzando il metodo di decomposizione termica 12. Alcuni altri approcci si basano su polimeri di rivestimento o di ammine molecole funzionali su nanoparticelle magnetiche di base seguita dalla deposizione di agguscio vecchio sulla superficie del polimero per creare l'ibrido particelle 7,13. Inoltre, le nanoparticelle di ossido di ferro sono state allegate alla nanotubi d'oro tramite interazioni elettrostatiche o una reazione chimica 14,15. Sebbene questi approcci producono nanostrutture magneto-plasmoniche, compromettono ad alcune proprietà misura della combinazione magneto-plasmonica come assorbanza ottica nella finestra vicino infrarosso (NIR) o un forte momento magnetico che sono entrambi altamente auspicabile in applicazioni biomediche. Ad esempio, manubri Au-Fe 3 O 4 nanoparticelle hanno un picco di risonanza plasmonica a 520 nm, che limita la loro utilità in vivo a causa della elevata torbidità tessuto in questo intervallo spettrale. Inoltre, le nanoparticelle magneto-plasmonica prodotti da protocolli attuali sono limitate a un solo 11 o pochi (meno di 10) 14,15 frazioni superparamagnetiche (ad esempio, nanoparticelle di ossido di ferro) che è significativamente inferiore potrebbe essere achieved in una nanostruttura densamente. Ad esempio, una densamente diametro 60 nm nanoparticelle sferiche può contenere dell'ordine di un migliaio di 6 nanoparticelle superparamagnetiche nm. Pertanto, non vi è spazio per migliorare le proprietà magnetiche delle nanoparticelle ibride un grande. Inoltre, alcuni dei protocolli precedentemente descritti sono relativamente complesse e richiedono un'attenta ottimizzazione per evitare l'aggregazione delle particelle durante la sintesi 14,15.
Qui, descriviamo un protocollo per la sintesi di nanoparticelle magneto-plasmonica con un forte momento magnetico e una forte assorbanza NIR che affronta i principali limiti della tecnica attuale. La sintesi ha le sue origini nel metodo 16 olio-in-acqua microemulsione. Si basa su assemblaggio di nanoparticelle di una dimensione desiderata di una molto più piccole particelle primarie. Questo approccio è stato utilizzato con successo per la produzione di nanostrutture da un unico materiale come l'oro, ossido di ferro, e semiconduttori primary particelle 16. Abbiamo esteso alla sintesi di nanoparticelle magneto-plasmonica da, prima, rendendo le particelle fondamentali ossido di 6 nm di diametro shell oro / ferro e, quindi, l'assemblaggio delle particelle ibride primarie nella nanostruttura sferica finale. Montaggio particelle primarie in nanocluster non solo consente di migliorare le proprietà delle nanoparticelle costituenti, come ad esempio il raggiungimento di un momento magnetico più forte preservando le proprietà superparamagnetiche, ma si avvale anche delle interazioni tra i singoli nanoparticelle creando così nuove caratteristiche assenti dalle nanoparticelle costituenti, come forte assorbanza ottica nella finestra NIR. Questo protocollo produce nanoparticelle ibride ad alta densità di funzionalità magnetici e plasmoniche. Dopo particelle primarie vengono sintetizzati, il nostro metodo è essenzialmente una semplice reazione one-pot. La forza complessiva di risonanza plasmonica e momento magnetico sono determinati da una serie di particelle primarie e, therrima, può essere facilmente ottimizzato a seconda dell'applicazione. Inoltre, abbiamo anche sviluppato una procedura per la coniugazione di anticorpi alle nanoparticelle ibride per varie applicazioni biomediche che richiedono il targeting molecolare specifico. Gli anticorpi sono collegati attraverso la frazione Fc lasciando la porzione Fab che è responsabile per l'associazione disponibili per il targeting antigene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Passaggi critici di successo in sintesi di nanocluster magneto-plasmonica includono rendendo altamente monodisperse shell / ferro nanoparticelle di ossido di oro nucleo primario e dirigendo auto-assemblaggio delle particelle primarie in nanocluster. Un rapporto molare tra le particelle primarie e tensioattivi svolgono un ruolo importante nel determinare distribuzione dimensionale dei nanocluster. Non uniforme distribuzione delle dimensioni delle nanoparticelle primarie può causare la formazione di grandi aggregati dura…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto in parte da sovvenzioni NIH R01 EB008101 e 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).
