Synthese en karakterisering van amphiphilic goud nanodeeltjes
Summary
Amphiphilic goud nanodeeltjes kunnen worden gebruikt in vele biologische toepassingen. Een protocol voor het synthetiseren van goud nanodeeltjes bedekt met een binair mengsel van liganden en een gedetailleerde karakterisering van deze deeltjes wordt gepresenteerd.
Abstract
Goud nanodeeltjes bedekt met een mengsel van 1-Octanethiol (OT) en 11-mercapto-1-Undecane sulfonic zuur (MUS) zijn uitvoerig bestudeerd vanwege hun interacties met celmembranen, lipide bilayers, en virussen. De hydrofiele liganden maken deze deeltjes colloïdaal stabiel in waterige oplossingen en de combinatie met hydrofobe liganden creëert een amphiphilic deeltje dat kan worden geladen met hydrofobe drugs, fuseren met de lipide membranen, en weerstaan niet-specifieke eiwit adsorptie. Veel van deze eigenschappen zijn afhankelijk van de deeltjesgrootte en de samenstelling van de ligand schelp. Het is dan ook van cruciaal belang om een reproduceerbare synthetische methode te hebben en de betrouwbaarheid van karakterisering technieken die de bepaling van nanodeeltjes eigenschappen en de ligand shell samenstelling mogelijk te maken. Hier wordt een chemische reductie van één fase, gevolgd door een grondige reiniging om deze nanodeeltjes met een diameter van minder dan 5 nm te synthetiseren, gepresenteerd. De verhouding tussen de twee liganden op het oppervlak van de nanodeeltjes kan worden afgestemd door hun stoichiometrische ratio gebruikt tijdens de synthese. We laten zien hoe verschillende routine technieken, zoals transmissie elektronenmicroscopie (TEM), nucleaire magnetische resonantie (NMR), thermogravimetric analyse (TGA), en ultraviolet-zichtbare (UV-VIS) spectrometrie, worden gecombineerd tot ruim de fysisch-chemische parameters van de nanodeeltjes te karakteriseren.
Introduction
De ligand schelp van goud nanodeeltjes kan worden ontworpen om verschillende eigenschappen die kunnen worden toegepast op de uitdagingen in de biogeneeskunde1,2,3,4vertonen. Deze veelzijdigheid zorgt voor de controle van de intermoleculaire interacties tussen nanodeeltjes en biomoleculen5,6,7. Hydrophobicity en charge spelen een doorslaggevende rol, evenals andere oppervlakte parameters die invloed hebben op hoe nanodeeltjes interageren met biomoleculen5,8,9. Om de oppervlakte-eigenschappen van de nanodeeltjes af te stemmen, biedt de keuze van natriumthiolaat moleculen die het ligand-reservoir uitmaken, een groot aantal mogelijkheden, volgens de gezochte eigenschappen. Bijvoorbeeld, wordt een mengsel van ligand molecules met hydrofobe en hydrofiele (b.v., geladen) eindgroepen vaak gebruikt om amphiphilic nanodeeltjes10,11te produceren.
Een prominent voorbeeld van dit type van nanodeeltjes wordt beschermd door een mengsel van OT en mus (hierna te noemen Mus: OT nanodeeltjes) dat is aangetoond dat veel relevante eigenschappen12,13,14bezitten. Eerste, met een ligand shell samenstelling van 66% MUS (hierna 66:34 MUS: OT), de colloïdale stabiliteit van de nanodeeltjes is hoog, het bereiken van tot 33% in gewicht in deioniseerde water, evenals in fosfaat-gebufferde zoutoplossing (1x, 4 mM fosfaat, 150 mM NaCl)15. Bovendien storten deze deeltjes niet bij relatief lage pH-waarden: bijvoorbeeld bij pH 2,3 en met zoutconcentraties van 1 M NaCl15, blijven deze nanodeeltjes gedurende maanden colloïdaal stabiel. De stoichiometrische verhouding tussen de twee moleculen op de ligand shell is belangrijk omdat het de colloïdale stabiliteit in oplossingen met een hoge Ionische sterkte16dicteert.
Deze deeltjes zijn getoond om het celmembraan te doorkruisen zonder het te porating, via een energie-onafhankelijke weg1,12. De spontane fusie tussen deze deeltjes en lipide bilayers ligt ten grondslag aan hun vluchtigheid door celmembranen17. Het mechanisme achter deze interactie is de minimalisering van contact tussen een hydrofobe oplosbaar-toegankelijke oppervlakte en water molecules op fusie met lipide bilayers18. Vergeleken met alle-MUS nanodeeltjes (nanodeeltjes met alleen de MUS ligand op hun schelp), de hogere hydrophobicity op gemengde MUS: OT nanodeeltjes (bijvoorbeeld, op een 66:34 MUS: OT samenstelling) verhoogt de spanwijdte van de kerndiameter die kan fuseren met lipide bilayers18. Verschillende zelf-assemblage organisaties van de ligand shell correleren met verschillende bindende modi van 66:34 MUS: OT nanodeeltjes met verschillende eiwitten, zoals albumine en ubiquitin, in vergelijking met alle-MUS deeltjes19. Onlangs is gemeld dat 66:34 MUS: OT nanodeeltjes kunnen worden gebruikt als een breed-spectrum antivirale middel dat onherroepelijk vernietigt de virussen als gevolg van multivalente elektrostatische bindingen van MUS liganden en niet-lokale koppelingen van OT liganden om capside proteïnen14. In al deze gevallen is gebleken dat de hydrofobe inhoud, evenals de kern grootte van de nanodeeltjes, bepaalt hoe deze bio-nano interacties plaatsvinden. Deze diverse eigenschappen van MUS: OT nanodeeltjes hebben gevraagd veel computersimulatie studies die gericht zijn op de mechanismen ter ondersteuning van de interacties tussen MUS: OT deeltjes en diverse biologische structuren zoals lipide bilayers20te verduidelijken.
De voorbereiding van MUS: OT-beschermde au nanodeeltjes vormt een paar uitdagingen. Ten eerste, de geladen ligand (MUS) en de hydrofobe ligand (OT) zijn onmengbare. Zo moet de oplosbaarheid van de nanodeeltjes en van de liganden rekening worden gehouden in de gehele synthese, evenals tijdens de karakterisering. Bovendien, de zuiverheid van de MUS ligand moleculen-in het bijzonder, de inhoud van anorganische zouten in het uitgangsmateriaal-invloeden van de kwaliteit, reproduceerbaarheid, evenals de korte en lange termijn colloïdale stabiliteit van de nanodeeltjes.
Hier, een gedetailleerde synthese en karakterisering van deze klasse van amphiphilic goud nanodeeltjes beschermd door een mengsel van MUS en OT worden geschetst. Een protocol voor de synthese van het negatief geladen MUS ligand wordt gerapporteerd om de zuiverheid en, vandaar, de reproduceerbaarheid van verschillende nanodeeltjes synthesen te verzekeren. Vervolgens wordt de procedure voor het genereren van deze nanodeeltjes, gebaseerd op een gemeenschappelijke synthese in één fase, gevolgd door een grondige reiniging, uitvoerig gerapporteerd. Diverse noodzakelijke karakterisering technieken21, zoals tem, UV-VIS, TGA, en NMR, zijn gecombineerd om alle noodzakelijke parameters voor verdere biologische experimenten te verkrijgen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft eerst de synthese van MUS ligand en vervolgens de synthese en karakterisering van amphiphilic MUS: OT goud nanodeeltjes. Synthetiseren van MUS met minimale zoutgehalte maakt een betere betrouwbaarheid van de stoichiometrische verhouding tussen de liganden tijdens de nanodeeltjes synthese, dat is een belangrijke factor voor de reproduceerbare synthese van MUS: OT nanodeeltjes met een doel hydrofobe inhoud (Figuur 8). Het gebruik van methanol als een gemeenschappelijk o…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. en F.S. danken de Zwitserse National Science Foundation en, in het bijzonder, NCCR ‘ Molecular Systems Engineering ‘. Z.L. en F.S. danken de steun van de Zwitserse National Science Foundation Division II Grant. Alle auteurs danken Quy ong voorvrucht bare discussies en voor het nalezen van het manuscript.
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 |
Riferimenti
- 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).
