Syntese av Immunotargeted Magneto-plasmonic nanoclusters

Summary

Her beskriver vi en protokoll for syntese av magneto-plasmonic nanopartikler med en sterk magnetisk moment og en sterk nær-infrarødt (NIR) absorbans. Protokollen inneholder også antistoffkonjugering til nanopartikler gjennom Fc-delen for ulike biomedisinske applikasjoner som krever molekylær spesifikk målgruppe.

Abstract

Magnetiske og Plasmonic egenskaper kombinert i et enkelt nanopartikkel gir en synergi som er fordelaktig i en rekke biomedisinske applikasjoner inkludert kontrastforbedring i nye magnetomotive bildediagnostikk, samtidig opptak og påvisning av sirkulerende tumorceller (CTCS), og multimodal molekyl avbildning kombinert med fototermiske behandlingen av kreftceller. Disse programmene har stimulert betydelig interesse for utvikling av protokoller for syntese av magneto-plasmonic nanopartikler med optisk absorbans i nær-infrarødt (NIR) region og en sterk magnetisk moment. Her presenterer vi en ny protokoll for syntese av slike hybridnanopartikler som er basert på en olje-i-vann-mikroemulsjon metode. Det unike med protokollen beskrevet her er syntesen av magneto-plasmonic nanopartikler av ulike størrelser fra primær blokker som også har magneto-Plasmonic egenskaper. Denne fremgangsmåten gir nanopartikler med en høy huletetet i magnetiske og Plasmonic funksjonaliteter som er jevnt fordelt over hele volumet nanopartikkel. Hybridnanopartikler lett kan funksjonaliseres ved å feste antistoffer via Fc-delen forlater Fab-delen som er ansvarlig for antigen-binding er tilgjengelig for målretting.

Introduction

Hybrid nanopartikler bestående av forskjellige materialer med forskjellige fysisk-kjemiske egenskaper kan åpne nye muligheter i biomedisinske applikasjoner, inkludert multimodal molekylær avbildning, terapi levering og overvåking, ny screening og diagnostiske analyser ^1-3. Kombinasjonen av Plasmonic og magnetiske egenskaper i en enkelt nanopartikkel er av spesiell interesse, fordi den gir en meget sterk lysspredning og absorpsjons-tverrsnitt forbundet med plasmon resonans og respons på et magnetisk felt. For eksempel ble det magneto-Plasmonic nanopartikler som brukes til å øke kontrasten i mørkefeltavbildning av merkede celler ved å anvende en tidsmessig signalmodulering via en ekstern elektromagnet ^3-5. Mer nylig ble et lignende prinsipp anvendes i utviklingen av et nytt avbildningsfunksjonalitet – magneto-foto-akustisk avbildning, hvor magneto-plasmonic nanopartikler muliggjøre store forbedringer i kontrast og signal-til-bakgrunns ratio ^6,7. Det ble også vist at de hybride nanopartikler kan anvendes for samtidig opptak og påvisning av sirkulerende tumorceller i fullblod og in vivo ^8,9. Videre er magneto-Plasmonic nanopartikler lovende theranostic midler som kan benyttes for molekylær spesifikk, optisk-og MR-avbildning, kombinert med fototermiske behandling av kreftceller ^10.

Flere tilnærminger ble utforsket for syntese av magneto-plasmonic nanopartikler. For eksempel Yu et al. Utnyttet nedbrytning og oksidasjon av Fe (CO) ₅ på gull nanopartikler for å danne dumbbell-lignende bifunksjonelle Au-Fe ₃ O ₄ nanopartikler ^11. Wang et al. Har syntetisert gull-belagt jernoksid nanopartikler ved hjelp av termisk dekomponering metode ^12. Noen andre tilnærminger avhengige belegg polymer eller aminfunksjonelle molekyler på magnetiske kjernenanopartikler, etterfulgt av avsetning av aggamle skall på polymeroverflaten for å lage hybrid-partikler ^7,13. I tillegg ble det jern-oksid-nanopartikler festet til gull nanorods via elektrostatiske interaksjoner eller en kjemisk reaksjon ^14,15. Selv om disse metodene gir magneto-Plasmonic nanostrukturer, de kompromiss i noen grad egenskapene til den magneto-plasmonic kombinasjon slik som optiske absorbans i nær-infrarødt (NIR) vindu eller en sterk magnetisk moment som begge er svært ønskelig i biomedisinske anvendelser. For eksempel, dumbbell Au-Fe ₃ O ₄ nanopartikler har en plasmonresonans topp på 520 nm som begrenser deres nytte in vivo på grunn av høy vev grums i denne spektrale området. Videre er magneto-plasmonic nanopartikler produsert av nåværende protokoller begrenset til bare én ¹¹ eller noen få (mindre enn 10) ^14,15 superparamagnetiske rester (f.eks jernoksid nanopartikler) som er betydelig mindre enn det som kunne være achieved i en tettpakket nanostrukturen. For eksempel kan en tettpakket 60 nm diameter sfærisk nanopartikkel inneholde i størrelsesorden tusen av 6 nm superparamagnetiske nanopartikler. Derfor, er det et stort rom for forbedring av magnetiske egenskapene til de hybride nanopartikler. Videre har noen av de tidligere beskrevne protokoller er relativt komplisert og krever forsiktig optimalisering for å unngå partikkelaggregatet under syntese ^14,15.

Her beskriver vi en protokoll for syntese av magneto-plasmonic nanopartikler med en sterk magnetisk moment og en sterk NIR absorbans som løser store begrensninger i dagens kunst. Den syntesen har sin opprinnelse i olje-i-vann-mikroemulsjon metode ^16. Den er basert på montering av nanopartikler av ønsket størrelse fra et mye mindre primære partikler. Denne tilnærmingen har blitt brukt til å produsere nanostrukturer fra et enkelt materiale som gull, jernoksid, og halvledere primary partikler ^16. Vi utvidet det til syntese av magneto-plasmonic nanopartikler ved, først, slik at 6 nm diameter gull skall / jernoksid kjernepartikler, og, deretter, å sette sammen de primære hybrid-partikler i den endelige sfæriske nanostrukturen. Montering primærpartikler inn nanoclusters ikke bare gjør bedre egenskapene til konstituerende nanopartikler, som for eksempel å oppnå en sterkere magnetisk moment samtidig bevare superparamagnetiske egenskaper, men også tar nytte av samspillet mellom individuelle nanopartikler og dermed skape nye egenskaper fraværende fra konstituerende nanopartikler, for eksempel sterk optisk absorbans i NIR-vinduet. Denne protokollen gir hybrid nanopartikler med en høy tetthet av magnetiske og Plasmonic funksjonalitet. Etter primærpartiklene blir syntetisert, er vår fremgangsmåte det vesentlige en enkel en-løsnings reaksjon. Den generelle plasmonresonans styrke og magnetisk moment bestemmes av et antall primærpartikler og, therefore, kan lett optimalisert avhengig av et program. Videre har vi også utviklet en prosedyre for antistoffkonjugering til de hybride nanopartikler for ulike biomedisinske applikasjoner som krever molekylær spesifikk målgruppe. Antistoffer er festet via Fc-delen forlater Fab-delen som er ansvarlig for antigen-binding er tilgjengelig for målretting.

Protocol

1. Instrumentations og Glass Forberedelse Bruk egnet verneutstyr, dvs. laboratoriefrakk, engangshansker og vernebriller. Koble en rundbunnet kolbe til en kondensator og dyppe det i et silikonolje-bad med en temperatur overvåking av et termometer. Plasser en varmekilde (f.eks varm plate) under oljebad (figur 1). Bruk et termometer stand til å måle temperaturen høyere enn 260 ° C. 2. Syntese av Primær Hybrid Magneto-Plasmonic Na…

Representative Results

En ordning for syntese av immunotargeted magneto-plasmonic nanoclusters er vist i figur 2. Først blir magnetisk Fe 3 O 4 jernoksid nanopartikler syntetisert via metode for termisk dekomponering. Deretter blir en tynn ca. 1 nm gull skall avsatt på jernoksyd kjernepartikler via termisk dekomponering. De primære ca. 6 nm hybridnanopartikler tjene som frø for å skape magneto-plasmonic nanoclusters ved å benytte en olje-i-vann-mikroemulsjon tilnærming. De nanocl…

Discussion

Kritiske trinnene i vellykket syntese av magneto-plasmonic nanoclusters inkluderer gjør svært monodispersed primære Gold Shell / jernoksid kjernenanopartikler og regissere selvbygging av de primære partikler i nanoclusters. Et molart forhold mellom de primære partikler og overflateaktive midler spiller en viktig rolle i å bestemme størrelsesfordelingen av de nanoclusters. Ikke-uniform størrelsesfordeling av primærnanopartikler kan føre til dannelse av store aggregater under montering av magneto-plasmonic nanoc…

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