ניתוח הכנת photoacoustic של כלי רכב ניידים המכילים Nanorods הזהב
Summary
We show the preparation and address the feasibility of cellular vehicles containing gold nanorods for the photoacoustic imaging of cancer.
Abstract
nanorods זהב הם אטרקטיבי עבור מגוון של יישומים ביו, כגון אבלציה photothermal ואת הדמית photoacoustic של סרטן, הודות ספיג האופטי האינטנסיבית שלהם בחלון האינפרה-אדום קרוב, cytotoxicity הנמוך ופוטנציאל הביתה לתוך גידולים. עם זאת, ומסירתם גידולים עדיין בעיה. גישה חדשנית מורכבת של הניצול של הכמיהות של מקרופאגים גידולים הקשורים שעשויות להיות עמוסות nanorods זהב במבחנה. כאן, אנו מתארים את ההכנה ובדיקת photoacoustic של כלי רכב הסלולר המכילים nanorods זהב. nanorods זהב PEGylated הם שונים עם תרכובות אמוניום רבעונים, על מנת להשיג פרופיל קטיוני. במגע עם מקרופאגים בעכברים בצלחות פטרי רגילים, חלקיקים אלה נמצאים לעבור ספיגת מסיבית לתוך שלפוחית endocytic. ואז התאים האלה מוטבעים הידרוג biopolymeric, אשר משמשים כדי לוודא את יציבות מרת photoacousticשל החלקיקים נשמר הכליל לתוך כלי רכב הסלולר. אנו בטוחים כי התוצאות הללו עשויות לספק השראה חדשה לפיתוח אסטרטגיות רומן כדי לספק חלקיקי plasmonic לגידולים.
Introduction
במהלך העשור האחרון, חלקיקים plasmonic שונים כגון nanorods זהב, nanoshells ו nanocages, קיבלו תשומת לב רבה עבור יישומים באופטיקה ביו 1, 2, 3, 4. המנוגדים nanospheres זהב רגיל, חלקיקים החדשים אלה מהדהדים האינפרה האדום הקרוב (NIR) חלון המספק לחדירה אופטית עמוקה דרך הגוף והניגודיות הגבוהה ביותר האופטית לגבי מרכיבי אנדוגני 1. תכונה זו עוררה עניין עבור יישומים חדשניים, כגון הדמיה photoacoustic (PA) ואת אבלציה photothermal של סרטן. עם זאת, כמה בעיות לרסן את החדירה הקלינית של חלקיקים אלה. לדוגמא, ההפעלה האופטית שלהם נוטה לגרום להתחממות היתר שלהם לשנות צורות הפעילות שלהן כלפי פרופילים כדוריים יותר, אשר נוהג photoinstability 5, 6, 7, 8 </sup>, 9. סוגיה נוספת ששולטת הדיון המדעי היא המשלוח המערכתי שלהם לתוך גידולים. בפרט, nanorods הזהב לשלב גדל כי הם אידיאליים כדי למלא גידולים ההציג חדיר ושימור משופר וקלות נטייה עם בדיקות ספציפיות של סמנים ממאירים. לכן, בעריכתם עבור הזרקה ישירה לתוך זרם הדם נתפסת ערכה ריאלית 10, 11, 12, 13. עם זאת, המסלול הזה נותר בעייתי, עם רוב של החלקיקים ייפלו בשבי על ידי מערכת תָא בַּלעָן mononuclear 10, 11, 12. בנוסף, דאגה נוספת היא היציבות האופטית ביוכימיים של החלקיקים לאחר במחזור דרך הגוף 14. כאשר חלקיקים לאבד יציבות קולואידים שלהם המצרפי, תכונות plasmonic שלהם ואת הדינמיקה העברת חום עלולים לסבול צימוד plasmonic 15, </sעד> 16, 17 ו צולב התחממות יתר 18.
לאחרונה, את הרעיון לנצל את הכמיהות של מקרופאגים גידולים הקשורים התפתח 19 חלופה חכמה, 20, 21. תאים אלה להחזיק יכולת מולדת לזהות לפעפע גידולים עם סגוליות גבוהות. לכן, נקודת מבט אחד יכול להיות לבודד תאים אלה מחולה, לטעון אותם עם nanorods זהב במבחנה ואז מזריקים אותם בחזרה לתוך המטופל, מתוך כוונה להשתמש בהם ככלי רכב הסלולר אחראי על משלוח. יתרון נוסף יהיה להשיג שליטה רבה יותר על היציבות האופטית ביוכימיים של החלקיקים, כי הממשק הביולוגי שלהם יהיה בנוי במבחנה. ובכל זאת, ההופעות של רכבים הסלולר אלה כסוכנים בניגוד אופטיים צריכים ניתוח ביקורתי.
בעבודה זו, אנו מתארים את ההכנה ונושאים קריטיים של Cellulכלי רכב ar המכיל nanorods זהב עבור הדמיה של סרטן הרשות. Nanorods זהב PEGylated הם שונה עם תרכובות אמוניום רבעוני 22, על מנת להשיג פרופיל קטיוני כי צפוי לקדם את האינטראקציה שלהם עם ממברנות plasmatic 23, 24. חלקיקים אלו עוברים ספיגים יעילים נוקבים מרוב סוגי הסלולר, בתקווה בלי להתערב הרבה עם התפקודים הביולוגיים שלהם. מקרופאגים Murine עמוסים עד כמה שרק 200, 000 nanorods זהב קטיוני לכל תא, אשר הופכים ותחומה בין שלפוחית endocytic חזק. תצורה זו צריכה להתעורר דאגה, בגלל האיום של צימוד plasmonic ו-התחממות יתר צלב בתוך שלפוחית אלה. לכן, מקרופאגים מוטבעים הידרוג biopolymeric המחקים רקמות ביולוגיות, על מנת לוודא כי מרבית יציבות גיור PA של החלקיקים נשמרים בהעברה ממדיום הצמיחה אל שלפוחית endocytic. אפקקריטריונים למדידת e הם הסתדרו על מנת למדוד את היציבות של מרת רשות בתנאים של ריבית מיידית הדמית רשות. סף חיטוב מוגדר בתחילת מאוד של חוסר יציבות אופטי לאחר הרכבת של 50 פעימות לייזר עם שיעור החזרה טיפוסי של 10 הרץ.
אנו בטוחים כי תוצאות אלו עשויות לספק תנופה לפיתוח אסטרטגיות רומן כדי לספק חלקיקי plasmonic לגידולים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הרעיון למקד מקרופאגים גידולים הקשורים מתגלה כמושג רב עוצמה כדי להילחם בסרטן 34, 35, 36. כאן, במקום הרס שלהם, תאים אלה מגויסים כרכב הסלולר להביא nanorods זהב לתוך הגידול, על ידי ניצול של כמיהות שלהם. תפיסה זו מחייבת תכנון מתחשב של החלקיקים, השתלבות…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי Regione טוסקנה ואת הקהילה האירופית בתוך מסגרת של BUBBLE Eranet + פרוייקטים lus ו- BI-TRE.
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).
