الذهب Nanorod بمساعدة تحفيز البصري من الخلايا العصبية
Summary
This protocol outlines how to use the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods to stimulate differentiation and intracellular calcium activity in neuronal cells. These results potentially open up new applications in neural prostheses and fundamental studies in neuroscience.
Abstract
Recent studies have demonstrated that nerves can be stimulated in a variety of ways by the transient heating associated with the absorption of infrared light by water in neuronal tissue. This technique holds great potential for replacing or complementing standard stimulation techniques, due to the potential for increased localization of the stimulus and minimization of mechanical contact with the tissue. However, optical approaches are limited by the inability of visible light to penetrate deep into tissues. Moreover, thermal modelling suggests that cumulative heating effects might be potentially hazardous when multiple stimulus sites or high laser repetition rates are used. The protocol outlined below describes an enhanced approach to the infrared stimulation of neuronal cells. The underlying mechanism is based on the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods, which can cause triggering of neuronal cell differentiation and increased levels of intracellular calcium activity. These results demonstrate that nanoparticle absorbers can enhance and/or replace the process of infrared neural stimulation based on water absorption, with potential for future applications in neural prostheses and cell therapies.
Introduction
وقد أثبتت الدراسات الحديثة أن التدفئة عابرة المرتبطة امتصاص الأشعة تحت الحمراء عن طريق المياه (الطول الموجي> 1،400 نانومتر) يمكن أن تستخدم للحث على إمكانات العمل في الأعصاب الأنسجة 1 و العابرين الكالسيوم داخل الخلايا العضلية في 2. وأثار استخدام الأشعة تحت الحمراء اهتماما كبيرا لتقديم الطلبات في الأطراف الاصطناعية العصبية، نظرا لدقة القرار المكانية المحتملين، وعدم وجود اتصال مباشر مع الأنسجة، والتقليل من القطع الأثرية التحفيز، وإزالة الحاجة إلى تعديل وراثيا الخلايا السابقة لتحفيز ( كما هو مطلوب في علم البصريات الوراثي) 1. على الرغم من كل هذه المزايا، تشير النماذج الحرارية وضعت مؤخرا أن الهدف الأنسجة / الخلايا قد تتأثر الآثار التدفئة التراكمي، عندما تستخدم مواقع التحفيز متعددة و / أو الرسوب عالية 3،4.
واستجابة لهذه التحديات، وقد اعترفت الباحثون إمكانية استخدام absor خارجياأفراد لتحفيز العصب لإنتاج آثار أكثر محلية التدفئة في الأنسجة. هوانغ آخرون أثبت هذا المبدأ من خلال استخدام الجسيمات النانوية الفريت مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic لتنشيط عن بعد القنوات TRPV1 حساسة للحرارة في HEK 293 الخلايا مع الترددات الراديوية المجال المغناطيسي 5. على الرغم من أن هذه التقنية قد تسمح لاختراق أعمق (المجالات المغناطيسية تتفاعل ضعيفة نسبيا مع الأنسجة)، وسجلت ردود فقط على مدى فترات من ثانية، بدلا من فترات ميلي ثانية واحدة المطلوبة في أجهزة الكترونية 5. وبالمثل، فرح وآخرون التحفيز الكهربائي أثبتت من العصبونات القشرية الفئران السوداء مع الجسيمات الدقيقة في المختبر. أظهروا الدقة على مستوى خلية في التحفيز باستخدام فترات نبض بناء على أمر من مئات ميكرو ثانية والطاقات في نطاق μJ، ويحتمل أن السماح لأسرع معدلات الرسوب 6.
كما تم تطبيق استخدام ماصات خارجي للحثتغيرات شكلية في المختبر. أظهر Ciofani وآخرون زيادة ~ 40٪ في نمو الخلايا العصبية باستخدام كهرضغطية الأنابيب النانوية نيتريد البورون متحمس بواسطة الموجات فوق الصوتية (7). وبالمثل، تم الإبلاغ عن endocytosed جزيئات أكسيد الحديد في الخلايا PC12 لتعزيز محوار التمايز بطريقة تعتمد على الجرعة، ويرجع ذلك إلى تفعيل جزيئات التصاق الخلية مع أكسيد الحديد 8.
في الآونة الأخيرة، ركزت اهتمامها امتصاص خارجي لمساعدة التحفيز العصبي أيضا على استخدام جزيئات الذهب (الاتحاد الافريقي NPS). الاتحاد الافريقي مصادر القدرة النووية لديها القدرة على استيعاب بكفاءة ضوء الليزر في ذروة plasmonic وتبدد ذلك في البيئة المحيطة بها في شكل حرارة 9. بين كافة الأشكال الجسيمات المتاحة، وامتصاص البصرية من نانواعواد الذهب (الاتحاد الافريقي NRS) مباريات مريح النافذة العلاجية من الأنسجة البيولوجية (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء – الجرد الوطني، والطول الموجي بين 750-1،400 نانومتر) 10. وعلاوة على ذلك، في تتمةتحويلة من التحفيز العصبي، واستخدام الاتحاد الافريقي NRS يوفر توافق مع الحياة مواتية نسبيا ومجموعة واسعة من الخيارات functionalization سطح 11. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن تأثير تنشيطية على التمايز يمكن أن يتسبب التعرض ليزر بعد متواصلة من الاتحاد الافريقي في شمال ولاية أراكان NG108-15 الخلايا العصبية (12). وبالمثل، سجلت العابرين الكالسيوم داخل الخلايا في الخلايا العصبية مثقف مع الاتحاد الافريقي NRS بعد أشعة الليزر التضمين مع ترددات متغيرة والنبض أطوال 13. كما تم تسجيل الاستقطاب غشاء الخلية بعد NIR إضاءة ليزر من الاتحاد الافريقي NRS في الثقافات الأولية من الخلايا العصبية العقدية الحلزونية 14. الأولى من نوعها في تطبيق الجسم الحي مع المشع الاتحاد الافريقي NRS وقد ثبت مؤخرا. بعثة مراقبة الانتخابات وزملاء العمل كشفت الاتحاد الافريقي NRS في ذروتها plasmonic وسجلت زيادة ستة أضعاف في السعة من إمكانات العمل المركب العصبية (CNAPs) وانخفاض ثلاثة أضعاف في العتبة التحفيز في الفئران الأعصاب الوركي. وENويعزى استجابة تعزيز نسبة إلى آثار التدفئة المحلية الناتجة عن الإثارة من NR plasmonic الذروة 15.
في هذه الورقة، يتم تحديد بروتوكولات للتحقيق في آثار التحفيز الليزر في NG108-15 الخلايا العصبية مثقف مع NRS الاتحاد الافريقي. هذه الطرق توفر بسيطة، لكنها قوية، وسيلة لأشرق السكان الخلية في المختبر باستخدام التقنيات والمواد البيولوجية القياسية. ويستند هذا البروتوكول على الصمام الثنائي ليزر إلى جانب الألياف (LD) التي تسمح التشغيل الآمن والمواءمة للتكرار. إعداد العينة والليزر طرق التشعيع الاتحاد الافريقي NR يمكن تمديد أيضا على الأشكال الجسيمات المختلفة والثقافات الخلية العصبية، التي تنص على أن البروتوكولات التوليف وثقافة محددة معروفة، على التوالي.
Protocol
Representative Results
Discussion
البروتوكولات المذكورة في هذا العرض التقديمي تصف كيفية الثقافة والتفريق وبصريا تحفيز الخلايا العصبية باستخدام امتصاص خارجي. خصائص NR (على سبيل المثال الأبعاد والشكل والطول الموجي صدى مأكل والكيمياء السطحية) والمعلمات التحفيز ليزر (مثل الطول الموجي، طول النبض، و…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن نعترف NanoVentures أستراليا لدعم تمويل السفر والبروفيسور جون هايكوك على استضافتها جزئيا هذا البحث في جامعة شيفيلد والسيدة Jaimee ماين لمساعدتها أثناء التصوير.
Materials
| Au NR | Sigma Aldrich | 716812 | |
| NG108-15 | Sigma Aldrich | 8811230 | |
| DMEM | Sigma Aldrich | D6546 | |
| FCS | Life Technologies | 10100147 | |
| L-glutamine | Sigma Aldrich | G7513 | |
| Penicillin/streptomycin | Life Technologies | 15140122 | |
| Amphotericin B | Life Technologies | 15290018 | |
| Formaldehyde | Sigma Aldrich | F8775 | |
| Triton X-100 | BDH | T8532 | |
| BSA | Sigma Aldrich | A2058 | |
| Anti-βIII-tubulin | Promega | G7121 | |
| TRITC-conjugated anti-mouse IgG antibody | Sigma Aldrich | T5393 | |
| DAPI | Invitrogen | D1306 | |
| Fluo-4 AM | Invitrogen | F14201 | |
| DMSO | Sigma Aldrich | 472301 | |
| Pluronic F-127 | Invitrogen | P6867 | |
| Equipment name | Company | Catalogue Number | |
| UV-Vis spectrometer | Varian Medical Systems Inc. | Cary 50 Bio | |
| Mini centrifuge | Eppendorf | Mini Spin | |
| Sonic bath | Unisonics Australia | FPX 10D | |
| Cell culture incubator | Kendro | Hera Cell 150 | |
| Cell culture centrifuge | Hettich | Rotofix 32A | |
| Laser diode | Optotech | 780 nm single mode fibre – coupled LD | |
| Optical fiber | Thorlabs | 780 HP | |
| Power meter | Coherent | Laser Check | |
| ImageJ | http://rsb.info.nih.gov/ij/index.html | ||
| Epifluorescent microscope | Axon Instruments | ImageX-press 5000A | |
| μ-slide well | Ibidi | 80826 | |
| Inverted confocal microscope | Carl Zeiss Microscopy Ltd. | LSM 510 meta-confocal microscope | |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS210 |
References
- Richter, C. P., Matic, A. I., Wells, J. D., Jansen, E. D., Walsh, J. T. Neural stimulation with optical radiation. Laser. Photonics Rev. 5 (1), 68-80 (2011).
- Dittami, G. M., Rajguru, S. M., Lasher, R. A., Hitchcock, R. W., Rabbitt, R. D. Intracellular calcium transients evoked by pulsed infrared radiation in neonatal cardiomyocytes. J. Physiol. 589 (6), 1295-1306 (2011).
- Thompson, A. C., Wade, S. A., Brown, W. G. A., Stoddart, P. R. Modeling of light absorption in tissue during infrared neural stimulation. J. Biomed. Opt. 17 (7), 075002-075002 (2012).
- Thompson, A. C., Wade, S. A., Cadusch, P. J., Brown, W. G., Stoddart, P. R. Modeling of the temporal effects of heating during infrared neural stimulation. J. Biomed. Opt. 18 (3), 035004 (2013).
- Huang, H., Delikanli, S., Zeng, H., Ferkey, D. M., Pralle, A. Remote control of ion channels and neurons through magnetic-field heating of nanoparticles. Nat. Nanotechnol. 5 (8), 602-606 (2010).
- Farah, N., et al. Holographically patterned activation using photo-absorber induced neural-thermal stimulation. J. Neural. Eng. 10 (5), (2013).
- Ciofani, G., et al. Enhancement of neurite outgrowth in neuronal-like cells following boron nitride nanotube-mediated stimulation. ACS Nano. 4 (10), 6267-6277 (2010).
- Kim, J. A., et al. Enhancement of neurite outgrowth in PC12 cells by iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 32 (11), 2871-2877 (2011).
- Myroshnychenko, V., et al. Modelling the optical response of gold nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 37 (9), 1792-1805 (2008).
- Choi, W. I., Sahu, A., Kim, Y. H., Tae, G. Photothermal cancer therapy and imaging based on gold nanorods. Ann. Biomed. Eng. 40 (2), 534-546 (2011).
- Zhan, Q., Qian, J., Li, X., He, S. A study of mesoporous silica-encapsulated gold nanorods as enhanced light scattering probes for cancer cell imaging. Nanotechnology. 21 (5), 055704 (2010).
- Paviolo, C., et al. Laser exposure of gold nanorods can increase neuronal cell outgrowth. Biotechnol. Bioeng. 110 (8), 2277-2291 (2013).
- Paviolo, C., Haycock, J. W., Cadusch, P. J., McArthur, S. L., Stoddart, P. R. Laser exposure of gold nanorods can induce intracellular calcium transients. J. Biophotonics. 7 (10), 761-765 (2014).
- Yong, J., et al. Gold-nanorod-assisted near-infrared stimulation of primary auditory neurons. Adv. Healthcare Mater. , (2014).
- Eom, K., et al. Enhanced infrared neural stimulation using localized surface plasmon resonance of gold nanorods. Small. , (2014).
- Juste, J., Pastoriza-Santos, I., Liz-Marzán, L. M., Mulvaney, P. Gold nanorods: Synthesis, characterization and applications. Coordination Chemistry Reviews. (17-18), 1870-1901 (2005).
- Shang, J., Gao, X. Nanoparticle counting: towards accurate determination of the molar concentration. Chem. Soc. Rev. 43 (21), 7267-7278 (2014).
- Sharma, V., Park, K., Srinivasarao, M. Shape separation of gold nanorods using centrifugation. Proc. Natl. Acad. Sci. 106 (13), 4981-4985 (2009).
- Kaewkhaw, R., Scutt, A. M., Haycock, J. W. Anatomical site influences the differentiation of adipose-derived stem cells for schwann-cell phenotype and function. Glia. 59 (5), 734-749 (2011).
- Brown, W. G. A., Needham, K., Nayagam, B. A., Stoddart, P. R. Whole cell patch clamp for investigating the mechanisms of infrared neural stimulation. JoVE. (77), (2013).
- Cadusch, P. J., Hlaing, M. M., Wade, S. A., McArthur, S. L., Stoddart, P. R. Improved methods for fluorescence background subtraction from Raman spectra. J. Raman Spectrosc. 44 (11), 1587-1595 (2013).
- Daud, M. F. B., Pawar, K. C., Claeyssens, F., Ryan, A. J., Haycock, J. W. An aligned 3D neuronal-glial co-culture model for peripheral nerve studies. Biomaterials. 33 (25), 5901-5913 (2012).
- Jung, S., et al. Intracellular gold nanoparticles increase neuronal excitability and aggravate seizure activity in the mouse brain. PLoS ONE. 9 (3), e91360 (2014).
- Salinas, K., Kereselidze, Z., DeLuna, F., Peralta, X., Santamaria, F. Transient extracellular application of gold nanostars increases hippocampal neuronal activity. J. Nanobiotechnology. 12 (1), 31 (2014).
- Ebbesen, C. L., Bruus, H. Analysis of laser-induced heating in optical neuronal guidance. J. Neurosci. Meth. 209 (1), 168-177 (2012).
- Iwanaga, S., et al. Location-dependent photogeneration of calcium waves in HeLa cells. Cell Biochem. Biophys. 45 (2), 167-176 (2006).
- Huang, X., Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Determination of the minimum temperature required for selective photothermal destruction of cancer cells with the use of immunotargeted gold nanoparticles. Photochem. Photobiol. 82 (2), 412-417 (2006).
- Connor, E. E., Mwamuka, J., Gole, A., Murphy, C. J., Wyatt, M. D. Gold nanoparticles are taken up by human cells but do not cause acute cytotoxicity. Small. 1 (3), 325-327 (2005).
- Isomaa, B., Reuter, J., Djupsund, B. M. The subacute and chronic toxicity of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), a cationic surfactant, in the rat. Arch. Toxicol. 35 (2), 91-96 (1976).
- Juste, J., Pastoriza-Santos, I., Liz-Marzán, L., Mulvaney, P. Gold nanorods: synthesis, characterization and applications. Coord. Chem. Rev. 249 (17-18), 1870-1901 (2005).
- Dreaden, E. C., Alkilany, A. M., Huang, X., Murphy, C. J., El-Sayed, M. A. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine. Chem. Soc. Rev. 41 (7), 2740-2779 (2012).
- Huang, X., Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles. Lasers Med. Sci. 23 (3), 217-228 (2008).
- Albert, E. S., et al. TRPV4 channels mediate the infrared laser-evoked response in sensory neurons. J. Neurophysiol. 107 (12), 3227-3234 (2012).
- Garcia-Elias, A., et al. Phosphatidylinositol-4,5-biphosphate-dependent rearrangement of TRPV4 cytosolic tails enables channel activation by physiological stimuli. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (23), 9553-9558 (2013).
- Shapiro, M. G., Homma, K., Villarreal, S., Richter, C. -. P., Bezanilla, F. Infrared light excites cells by changing their electrical capacitance. Nat. Commun. 3 (736), (2012).
- Roggan, A., Friebel, M., Dörschel, K., Hahn, A., Müller, G. Optical properties of circulating human blood in the wavelength range 400-2500 nm. J. Biomed. Opt. 4 (1), 36-46 (1999).
- Byrnes, K. R., et al. Light promotes regeneration and functional recovery and alters the immune response after spinal cord injury. Lasers Surg. Med. 36 (3), 171-185 (2005).
- Wu, X., et al. 810 nm wavelength light: an effective therapy for transected or contused rat spinal cord. Lasers Surg. Med. 41 (1), 36-41 (2009).
- Grossman, N., Schneid, N., Reuveni, H., Halevy, S., Lubart, R. 780 nm low power diode laser irradiation stimulates proliferation of keratinocyte cultures: involvement of reactive oxygen species. Lasers Surg. Med. 22 (4), 212-218 (1998).
- Wong-Riley, M. T. T., et al. Photobiomodulation directly benefits primary neurons functionally inactivated by toxins – Role of cytochrome c oxidase. J. Biol. Chem. 280 (6), 4761-4771 (2005).
- Beauvoit, B., Kitai, T., Chance, B. Contribution of the mitochondrial compartment to the optical properties pf the rat liver: a theoretical and practical approach. Biophys. J. 67 (6), 2501-2510 (1994).
