Altın nanorods İçeren Hücresel Araçların Hazırlama ve foto akustik Analizi
Summary
We show the preparation and address the feasibility of cellular vehicles containing gold nanorods for the photoacoustic imaging of cancer.
Abstract
Altın nanorods, tümörlere eve yakın kızıl ötesi pencere, düşük sitotoksisite ve potansiyeline yönelik yoğun optik absorbans sayesinde bu tür fototermal ablasyon ve kanser foto akustik görüntüleme gibi biyomedikal uygulamalarda, bir dizi için caziptir. Ancak, tümörlere onların teslim hala bir sorun olmaya devam etmektedir. Yenilikçi bir yaklaşım, in vitro olarak, altın nanoçubuklar ile yüklenebilir tümörle ilişkili makrofaj tropizm yararlanılmasının oluşur. Burada, hazırlık ve altın nanorods içeren hücresel araçların foto akustik muayene açıklar. PEG'lenmiş altın nanorods bir katyonik profilini elde etmek için, dördüncü derece amonyum bileşikleri ile modifiye edilir. Sıradan Petri tabaklarında sıçangil makrofaj ile temas, bu parçacıklar endositik vezikülleri içine büyük alımını uğradıkları bulunmuştur. Daha sonra, bu hücreler, doğrulamak için kullanılır biyopolimer hidrojeller, gömülü olduğu foto akustik dönüşüm stabilitesiparçacıkların hücre araç içine dahil edilmesi de muhafaza edilir. Biz bu sonuçları tümörlere plasmonik parçacıklar sunmak için yeni stratejilerin geliştirilmesi için yeni ilham sağlayabilir eminiz.
Introduction
Geçtiğimiz on yıl içinde, bu tür altın nanoçubuklar, nanoshells ve nanocages gibi çeşitli plasmonik parçacıklar, biyomedikal optik 1, 2, 3, 4 uygulamaları için önemli bir ilgi görmüştür. Standart altın nanokürecikler uymayacak, bu yeni parçacıklar vücuda derin optik penetrasyon ve endojen bileşenler üzerinde 1 yüksek optik kontrast sağlar yakın kızılötesi (NIR) penceresinde yankı. Bu özellik, foto akustik (PA) görüntüleme ve kanser fototermal ablasyonu gibi yenilikçi uygulamalar için ilgi uyandırdı. Ancak, çeşitli konularda bu parçacıkların klinik nüfuz dizginlemek. Örneğin, optik aktivasyonu, 8 aşırı ısınma indükleme ve foto-5, 6, 7 sürücüler daha küresel profilleri karşı işlevsel şekilleri değiştirme eğilimi </sup>, 9. Bilimsel tartışma hakim bir başka konu tümörlerinde sistemik teslim olduğunu. Özellikle, altın nanorods gelişmiş geçirgenliği ve tutma ve malign belirteçlerinin spesifik problar ile konjugasyon kolaylığı göstermek tümörleri yayılmak için ideal boyutları birleştirir. Bu nedenle, kan akışına direkt enjeksiyon için bunların hazırlanması uygun bir şema 10, 11, 12, 13 olarak görülmektedir. Partiküllerin en mononükleer fagosit sisteminin 10, 11, 12 tarafından yakalanan olma ile Bununla birlikte, bu yol, bir problem teşkil etmektedir. Buna ek olarak, başka bir sorun gövdesi 14 boyunca dolaşım sonra parçacıkların, optik ve biyokimyasal stabilitesidir. Parçacıklar kolloidal kararlılık ve agrega kaybetmek, onların plasmonik özellikleri ve ısı transferi dinamikleri plasmonik kavrama 15 muzdarip olabilir, </s> 16, 17 ve yukarı 18 çapraz aşırı ısınma.
Daha yakın zamanlarda, tümör ile ilişkili makrofaj tropizminin yararlanmaya kavramı akıllı alternatif 19, 20, 21 olarak ortaya çıkmıştır. Bu hücreler tespit etmek ve yüksek özgüllük ile tümörlerin yayılmak için doğuştan gelen bir yetenek tutun. Bu nedenle, bir perspektif, bir hastadan alınan bu hücreleri izole in vitro altın nanoçubuklar ile onlara yük ve daha sonra teslim sorumlu hücresel araçlar olarak kullanmak amacı ile, hastaya geri enjekte etmek olabilir. Diğer bir avantajı biyolojik arayüz in vitro inşa edilecek, çünkü parçacıkların optik ve biyokimyasal istikrar üzerinde daha fazla kontrol sahibi olacaktır. Yine, optik kontrast ajanları olarak bu hücresel araçların performansları kritik bir ihtiyaç analizi.
Bu çalışmada, hazırlık ve cellul kritik sorunlar anlatılmaktadırkanser PA görüntüleme altın nanorods AR içeren araçlar. PEG'lenmiş altın nanorods plazma membranları 23, 24 ile etkileşimi teşvik etmek için beklenen bir katyonik profilini elde etmek için, dördüncü derece amonyum bileşikleri 22 ile modifiye edilmiştir. Bu parçacıklar, umarım onların biyolojik fonksiyonları ile çok engel olmadan, en hücresel türlü verimli ve belirsiz alımını tabi. Murin makrofajlar kadar sıkı endositik veziküller içinde sınırlı hale hücre başına kadar 000, 200 gibi katyonik altın nanoçubuklar e yüklenir. Bu yapılandırma nedeniyle bu veziküller içinde plasmonik bağlantı ve çapraz aşırı ısınma tehdidi, endişe ortaya olmalıdır. Bu nedenle, makrofajlar parçacıkların PA dönüşüm stabilitesi en endositik vesiküller büyüme ortamından transfer muhafaza olduğunu doğrulamak için, biyolojik dokuların taklit biyopolimer hidrojeller gömülür. effective ölçüm kriterleri PA görüntüleme için acil ilgi koşullarında PA dönüşüm istikrarı ölçmek amacıyla dışarı işlenmiştir. Şekillendirme eşiği 10 Hz tipik tekrarlama oranı 50 lazer puls dizileri sonra optik instabilite ait başlangıç ayarlanır.
Biz bu sonuçları tümörlere plasmonik parçacıklar sunmak için yeni stratejilerin geliştirilmesi için ivme sağlayabilir eminiz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tümör ilişkili makrofajlar hedef kavramı kanseri 34, 35, 36 mücadelede güçlü bir kavram olarak ortaya çıkmaktadır. Burada, bunun yerine kendi imha, bu hücreler kendi tropizm sömürü ile, bir tümör içine altın nanorods getirmek için hücresel araçlar olarak alınırlar. Bu perspektif parçacıkların düşünceli tasarım, hücreler ve karakterizasyonu onların entegrasyonunu gerektirir. Katyonik altın nanoçubuklar yüklü fare makrofaj fotostab…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen ERANET + Projeleri LUS BUBBLE ve BI-TRE çerçevesinde Regione Toscana ve Avrupa Topluluğu tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Hexadecyltrimethylammonium bromide | Sigma-Aldrich | H6269 | To synthesize gold nanorods |
| Gold(III) chloride trihydrate | Sigma-Aldrich | 520918 | To synthesize gold nanorods |
| Silver nitrate | Sigma-Aldrich | S6506 | To synthesize gold nanorods |
| L-ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A5960 | To synthesize gold nanorods |
| Sodium borohydride | Sigma-Aldrich | To synthesize gold nanoseeds | |
| MeO-PEG-SH | Iris Biotech | PEG1171 | To PEGylate gold nanorods. Molecular weight about 5,000 Da |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 320099 | To PEGylate gold nanorods and solubilize chitosan |
| Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S8750 | To PEGylate gold nanorods |
| (11-Mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammonium bromide | Sigma-Aldrich | 733305 | To modify gold nanorods with quaternary ammonium compounds |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | 276855 | To solubilize (11-mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammonium bromide |
| Polysorbate 20 | Sigma-Aldrich | P2287 | To centrifuge PEGylated gold nanorods |
| PBS | Lonza | BE17-516F | To suspend gold nanorods before incubation with cells and to treat pellets of cells |
| J774a.1 | ATCC | TIB-67 | Monocyte/macrophage murine cell line |
| DMEM | Lonza | BE12-707F | Cell culture medium |
| FBS | Lonza | DE14-801F | To be added to cell culture medium |
| L-glutamine | Lonza | BE17-605E | To be added to cell culture medium |
| Penicillin/streptomycin | Lonza | DE17-602E | To be added to cell culture medium |
| Petri dish | NEST | 705001 | Cell culture dish |
| Cell scraper | EuroClone | ES7018 | To detach cells |
| Formaldehyde | Fluka | 47630 | To fix cells |
| Chitosan, low molecular weight | Sigma-Aldrich | 448869 | 75-85% deacetylated. Molecular weight about 120,000 Da |
| Sodium hydroxyde | Sigma-Aldrich | 306576 | To insolubilize chitosan and generate the hydrogel |
| Polystyrene cell culture plates | NEST | 702011 | Used as molds to fabricate chitosan hydrogels |
| Optical parametric oscillator pumped by the third harmonic of a Q-switched Nd:YAG laser | Continuum, Santa Clara, USA | Surelite OPO plus | Source of optical excitation for photoacoustic tests |
| Pyroelectric detector | Gentec, Quebec, Canada | QE8SP | To monitor optical fluence for photoacoustic tests |
| Pre amplified needle hydrophone | Precision Acoustic, Dorset, UK | Model with 1 mm sensor diameter and 1-20 MHz frequency range | To measure photoacoustic signals |
References
- Ratto, F., Matteini, P., Centi, S., Rossi, F., Pini, R. Gold nanorods as new nanochromophores for photothermal therapies. J. Biophotonics. (1-2), 4-41 (2011).
- 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, 2740-2779 (2012).
- Hahn, M. A., Singh, A. K., Sharma, P., Brown, S. C., Moudgil, B. M. Nanoparticles as Contrast Agents for in-Vivo Bioimaging: Current Status and Future Perspectives. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 3-27 (2011).
- Dreaden, E. C., Austin, L. A., Mackey, M. A., El-Sayed, M. A. Size matters: gold nanoparticles in targeted cancer drug delivery. Ther. Deliv. 3 (4), 457-478 (2012).
- Manohar, S., Ungureanu, C., Van Leeuwen, T. G. Gold nanorods as molecular contrast agents in photoacoustic imaging: The promises and the caveats. Contrast Media Mol. Imaging. 6 (5), 389-400 (2011).
- Cavigli, L., et al. Size Affects the Stability of the Photoacoustic Conversion of Gold Nanorods. J. Phys. Chem. C. 118 (29), 16140-16146 (2014).
- Chen, L. -. C., et al. Enhanced photoacoustic stability of gold nanorods by silica matrix confinement. J. Biomed. Opt. 15 (1), 016010 (2010).
- Ratto, F., et al. CW laser-induced photothermal conversion and shape transformation of gold nanodogbones in hydrated chitosan films. J. Nanopart. Res. 13, 4337-4348 (2011).
- Mercatelli, R., et al. Quantitative readout of optically encoded gold nanorods using an ordinary dark-field microscope. Nanoscale. 5 (20), 9645-9650 (2013).
- Von Maltzahn, G., et al. Computationally guided photothermal tumor therapy using long-circulating gold nanorod antennas. Cancer Res. 69 (9), 3892-3900 (2009).
- Jokerst, J. V., Cole, A. J., Van De Sompel, D., Gambhir, S. S. Gold nanorods for ovarian cancer detection with photoacoustic imaging and resection guidance via Raman imaging in living mice. ACS Nano. 6 (11), 10366-10377 (2012).
- Huang, X., et al. A reexamination of active and passive tumor targeting by using rod-shaped gold nanocrystals and covalently conjugated peptide ligands. ACS Nano. 4 (10), 5887-5896 (2010).
- Alkilany, A. M., Thompson, L. B., Boulos, S. P., Sisco, P. N., Murphy, C. J. Gold nanorods: Their potential for photothermal therapeutics and drug delivery, tempered by the complexity of their biological interactions. Adv. Drug Deliv. Rev. 64, 190-199 (2012).
- Centi, S., et al. In vitro assessment of antibody-conjugated gold nanorods for systemic injections. J. Nanobiotechnology. 12, 55 (2014).
- Jain, P. K., Eustis, S., El-Sayed, M. A. Plasmon coupling in nanorod assemblies: Optical absorption, discrete dipole approximation simulation, and exciton-coupling model. J. Phys. Chem. B. 110 (37), 18243-18253 (2006).
- Funston, A. M., Novo, C., Davis, T. J., Mulvaney, P. Plasmon coupling of gold nanorods at short distances and in different geometries. Nano Lett. 9 (4), 1651-1658 (2009).
- Mazzoni, M., Ratto, F., Fortunato, C., Centi, S., Tatini, F., Pini, R. Partial Decoupling in Aggregates of Silanized Gold Nanorods. J. Phys. Chem. C. 118 (34), 20018-20025 (2014).
- Lapotko, D. O., Lukianova, E., Oraevsky, A. A. Selective laser nano-thermolysis of human leukemia cells with microbubbles generated around clusters of gold nanoparticles. Lasers Surg. Med. 38 (6), 631-642 (2006).
- Choi, M. R., et al. A cellular trojan horse for delivery of therapeutic nanoparticles into tumors. Nano Letters. 7 (12), 3759-3765 (2007).
- Dreaden, E. C., Mwakwari, S. C., La Austin, ., Kieffer, M. J., Oyelere, A. K., El-Sayed, M. A. Small molecule-gold nanorod conjugates selectively target and induce macrophage cytotoxicity towards breast cancer cells. Small. 8 (18), 2819-2822 (2012).
- Yang, T. D., et al. Real-time phase-contrast imaging of photothermal treatment of head and neck squamous cell carcinoma: an in vitro study of macrophages as a vector for the delivery of gold nanoshells. J. Biomed. Opt. 17 (12), 128003 (2012).
- Vigderman, L., Manna, P., Zubarev, E. R. Quantitative Replacement of Cetyl Trimethylammonium Bromide by Cationic Thiol Ligands on the Surface of Gold Nanorods and Their Extremely Large Uptake by Cancer Cells. Angew. Chem. Int. Ed. (English). 51 (3), 636-641 (2012).
- Richard, J. P., et al. Cell-penetrating peptides: A reevaluation of the mechanism of cellular uptake. J. Biol. Chem. 278 (1), 585-590 (2003).
- Delehanty, J. B., Boeneman, K., Bradburne, C. E., Robertson, K., Bongard, J. E., Medintz, I. L. Peptides for specific intracellular delivery and targeting of nanoparticles: implications for developing nanoparticle-mediated drug delivery. Ther. Deliv. 1, 411-433 (2010).
- Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Preparation and growth mechanism of gold nanorods (NRs) using seed-mediated growth method. Chem. Mater. 15 (10), 1957-1962 (2003).
- Ratto, F., Matteini, P., Rossi, F., Pini, R. Size and shape control in the overgrowth of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 12 (6), 2029-2036 (2009).
- Niidome, T., et al. PEG-modified gold nanorods with a stealth character for in vivo applications. J. Control. Release. 114 (3), 343-347 (2006).
- Tatini, F., et al. Size dependent biological profiles of PEGylated gold nanorods. J. Mater. Chem. B. 2, 6072-6080 (2014).
- Matteini, P., Ratto, F., Rossi, F., Centi, S., Dei, L., Pini, R. Chitosan films doped with gold nanorods as laser-activatable hybrid bioadhesives. Adv. Mater. 22 (38), 4313-4316 (2010).
- Matteini, P., Ratto, F., Rossi, F., de Angelis, M., Cavigli, L., Pini, R. Hybrid nanocomposite films for laser-activated tissue bonding. J. Biophotonics. 5 (11-12), 868-877 (2012).
- Matteini, P., Tatini, F., Cavigli, L., Ottaviano, S., Ghini, G., Pini, R. Graphene as a photothermal switch for controlled drug release. Nanoscale. 6, 7947-7953 (2014).
- Ratto, F., Witort, E., et al. Plasmonic Particles that Hit Hypoxic Cells. Adv. Funct. Mater. 25 (2), 316-323 (2015).
- Chithrani, D. B. Intracellular uptake, transport, and processing of gold nanostructures. Molec. Membrane Biol. 27 (7), 299-311 (2010).
- Mitchem, J. B., et al. Targeting tumor-infiltrating macrophages decreases tumor-initiating cells, relieves immunosuppression, and improves chemotherapeutic responses. Cancer Res. 73 (3), 1128-1141 (2013).
- Mantovani, A., Allavena, P. The interaction of anticancer therapies with tumor-associated macrophages. J. Exp. Med. 212 (4), 435-445 (2015).
- Panni, R. Z., Linehan, D. C., DeNardo, D. G. Targeting tumor-infiltrating macrophages to combat cancer. Immunotherapy. 5 (10), 1075-1087 (2013).
- Oh, E., et al. Cellular uptake and fate of PEGylated gold nanoparticles is dependent on both cell-penetration peptides and particle size. ACS Nano. 5 (8), 6434-6448 (2011).
- Yuan, H., Fales, A. M., Vo-Dinh, T. TAT peptide-functionalized gold nanostars: Enhanced intracellular delivery and efficient NIR photothermal therapy using ultralow irradiance. J. Am. Chem. Soc. 134 (28), 11358-11361 (2012).
- Ladest, S., Fales, A. M., Domard, A. Multi-membrane hydrogels. Nature. 452, 76-79 (2008).
- Matteini, P., et al. Photothermally activated hybrid films for quantitative confined release of chemical species. Angew. Chem. Int. Ed. (English). 52, 5956-5960 (2013).
- Khor, E., Lim, L. Y. Implantable applications of chitin and chitosan. Biomaterials. 24 (13), 2339-2349 (2003).
- Kennedy, L. C., et al. T cells enhance gold nanoparticle delivery to tumors in vivo. Nanoscale Res. Lett. 6 (1), 283 (2011).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Killingsworth, M. C., Xu, X., Cortie, M. B. Targeted destruction of murine macrophage cells with bioconjugated gold nanorods. J. Nanopart. Res. 9 (6), 1109-1124 (2007).
- Jokerst, J. V., Thangaraj, M., Kempen, P. J., Sinclair, R., Gambhir, S. S. Photoacoustic imaging of mesenchymal stem cells in living mice via silica-coated gold nanorods. ACS Nano. 6 (7), 5920-5930 (2012).
- Ding, H., et al. Gold nanorods coated with multilayer polyelectrolyte as contrast agents for multimodal imaging. J. Phys. Chem. C. 111 (34), 12552-12557 (2007).
- Esposito, G., et al. et al. In vivo laser assisted microvascular repair and end-to-end anastomosis by means of indocyanine green-infused chitosan patches: A pilot study. Lasers Surg. Med. 45 (5), 318-325 (2013).
