Summary

Guld nanorod-assisteret Optisk Stimulation af neuronal Cells

Published: April 27, 2015
doi:

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

Nylige undersøgelser har vist, at forbigående opvarmning forbundet med absorptionen af infrarødt lys af vand (bølgelængde> 1.400 nm) kan anvendes til at inducere virkningspotentialer i nervevæv 1 og intracellulære calcium transienter i cardiomyocytter 2. Brugen af ​​infrarødt lys har rejst stor interesse til anvendelser i neurale proteser, på grund af den potentielle finere rumlig opløsning, manglende direkte kontakt med vævet, minimering af stimulering artefakter og fjernelse af behovet for at genetisk modificere cellerne før stimulation ( som krævet i optogenetics) 1. På trods af alle disse fordele, nyligt udviklede termiske modeller foreslået, at target væv / celler kan blive påvirket af kumulative opvarmning effekter, når flere stimulus sites og / eller høj repetitionshastigheder anvendes 3,4.

Som svar på disse udfordringer, har forskere erkendt potentialet til at bruge ydre absormer for nerve stimulation til at producere mere lokal opvarmning effekter i vævet. Huang et al. Demonstrerede dette princip ved hjælp af superparamagnetiske ferrit nanopartikler til at aktivere fjernadgang de temperaturfølsomme TRPV1 kanaler i HEK 293 celler med en radio-frekvens magnetfelt 5. Selv om denne teknik kan give mulighed for dybere penetration (magnetfelter interagerer relativt svagt med væv), blev svarene kun registreret over perioder på sekunder i stedet for de millisekund varigheder, der kræves i bioniske enheder 5. Tilsvarende Farah et al. Påvist elektrisk stimulation af rotte corticale neuroner med sorte mikropartikler in vitro. De viste celle-niveau præcision i stimulation ved hjælp af impulser i størrelsesordenen flere hundrede mikrosekunder og energier i intervallet μJ, potentielt giver mulighed for hurtigere repetitionshastigheder 6.

Anvendelsen af ​​ydre absorbere er også blevet anvendt til at induceremorfologiske ændringer i vitro. Ciofani et al. Viste en stigning i neuronal celleudvækst ~ 40% ved anvendelse af piezoelektriske bornitrid nanorør exciteres ved ultralyd 7. Tilsvarende har endocytoserede jernoxid nanopartikler i PC12-celler blevet rapporteret at forbedre neurit differentiering på en dosis-afhængig måde, som følge af aktivering af celleadhæsionsmolekyler med jernoxid 8.

For nylig har interessen for ydre absorbere at hjælpe neural stimulation også fokuseret på anvendelsen af ​​guld nanopartikler (AU NP'er). Au NP'er har evnen til effektivt at absorbere laserlyset på plasmoniske top og til at sprede den ind i det omgivende miljø i form af varme 9. Blandt alle de tilgængelige partikelformer den optiske absorption af guld nanorods (Au NR'er) bekvemt passer det terapeutiske vindue af biologiske væv (nærinfrarød – NIR, bølgelængde mellem 750-1,400 nm) 10. Desuden i context af neural stimulation, anvendelse af Au NR'er giver relativt gunstig biokompatibilitet og en bred vifte af overfladefunktionalisering muligheder 11. Nylige undersøgelser har vist, at en stimulerende virkning på differentiering kan induceres efter kontinuerlig laser engagementer Au NR'er i NG108-15 neuronale celler 12. Ligeledes blev intracellulære calcium transienter optaget i neuronale celler dyrket med Au NR'er efter laser bestråling moduleret med variable frekvenser og pulslængder 13. Cellemembranen depolarisering blev også registreret efter NIR laser belysning af Au NR'er i primære kulturer af spiral ganglieneuroner 14. Den første in vivo ansøgning med bestrålede Au NR'er er påvist for nylig. EOM og medarbejdere udsat Au NR'er på deres plasmoniske top og indspillede en seks-dobling i amplituden af ​​forbindelse nerve aktionspotentialer (CNAPs) og en tre-fold fald i tærsklen stimulation i rotte ischiadicus nerver. Den entierne svar blev tilskrevet lokale opvarmning virkninger som følge af excitation af NR plasmoniske top 15.

I det foreliggende papir, er protokoller for at undersøge virkningerne af laser stimulation i NG108-15 neuronale celler dyrket med Au NR'er angivet. Disse metoder giver en enkel, men kraftfuld, måde at bestråle cellepopulationer in vitro ved hjælp af standard biologiske teknikker og materialer. Protokollen er baseret på et fiber-koblet laser diode (LD), der tillader sikker drift og gentagelig tilpasning. AU NR forberedelse og laser prøve bestråling metoder kan yderligere udvides til andre partikel former og neuronale cellekulturer, forudsat at de specifikke syntese og kultur protokoller er kendte, hhv.

Protocol

1. Au NR'er Forberedelse Bemærk: Au NR'er kan syntetiseres ved en række opskrifter 16, eller købt fra kommercielle leverandører. Mål den indledende optisk densitet (OD) af Au NR opløsning via UV-Vis-spektroskopi, ved registrering af absorptions- værdier fra 300 nm til 1000 nm med en opløsning på 0,5-2 nm. Variere volumen af ​​opløsning, der skal anvendes med de tilgængelige kuvette. Vurdere den indledende NP molære koncentration med en …

Representative Results

Ved anvendelse af protokol 1, 2 og 3 er beskrevet her, blev en stimulerende virkning på differentiering observeret i NG108-15 neuronale celler dyrket med Au NP'er (Au NR'er, poly (styrensulfonat) belagte Au NR'er og siliciumdioxidovertrukket Au NR'er) efter laser engagementer mellem 1,25 og 7,5 W · cm -2. Konfokale billeder af rhodamineB-mærket Au NR'er viste, at partiklerne blev internaliseret fra dag 1 af inkubation 12. Lokaliseringen blev overvejende observeret i cellecyto…

Discussion

De protokoller, der er skitseret i denne præsentation beskriver hvordan kultur, differentiere og optisk stimulere nerveceller ved hjælp ydre absorbere. NR egenskaber (f.eks dimensioner, form, plasmonresonans bølgelængde og overfladekemi) og laser stimuleringsparametre (såsom bølgelængde, pulslængde, impulsfrekvens, etc.) kan varieres for at matche forskellige eksperimentelle behov. Virkningerne på celle adfærd kan overvåges ved anvendelse af standard biologiske assays og materialer. Samlet t…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne anerkende NanoVentures Australien til rejser finansiering support og Prof. John Haycock for at have delvist vært denne forskning ved University of Sheffield og Ms. Jaimee Mayne for hendes hjælp under optagelserne.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Farah, N., et al. Holographically patterned activation using photo-absorber induced neural-thermal stimulation. J. Neural. Eng. 10 (5), (2013).
  7. 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).
  8. Kim, J. A., et al. Enhancement of neurite outgrowth in PC12 cells by iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 32 (11), 2871-2877 (2011).
  9. Myroshnychenko, V., et al. Modelling the optical response of gold nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 37 (9), 1792-1805 (2008).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Paviolo, C., et al. Laser exposure of gold nanorods can increase neuronal cell outgrowth. Biotechnol. Bioeng. 110 (8), 2277-2291 (2013).
  13. 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).
  14. Yong, J., et al. Gold-nanorod-assisted near-infrared stimulation of primary auditory neurons. Adv. Healthcare Mater. , (2014).
  15. Eom, K., et al. Enhanced infrared neural stimulation using localized surface plasmon resonance of gold nanorods. Small. , (2014).
  16. 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).
  17. Shang, J., Gao, X. Nanoparticle counting: towards accurate determination of the molar concentration. Chem. Soc. Rev. 43 (21), 7267-7278 (2014).
  18. Sharma, V., Park, K., Srinivasarao, M. Shape separation of gold nanorods using centrifugation. Proc. Natl. Acad. Sci. 106 (13), 4981-4985 (2009).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Jung, S., et al. Intracellular gold nanoparticles increase neuronal excitability and aggravate seizure activity in the mouse brain. PLoS ONE. 9 (3), e91360 (2014).
  24. 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).
  25. Ebbesen, C. L., Bruus, H. Analysis of laser-induced heating in optical neuronal guidance. J. Neurosci. Meth. 209 (1), 168-177 (2012).
  26. Iwanaga, S., et al. Location-dependent photogeneration of calcium waves in HeLa cells. Cell Biochem. Biophys. 45 (2), 167-176 (2006).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Albert, E. S., et al. TRPV4 channels mediate the infrared laser-evoked response in sensory neurons. J. Neurophysiol. 107 (12), 3227-3234 (2012).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
check_url/kr/52566?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Paviolo, C., McArthur, S. L., Stoddart, P. R. Gold Nanorod-assisted Optical Stimulation of Neuronal Cells. J. Vis. Exp. (98), e52566, doi:10.3791/52566 (2015).

View Video