Utarbeidelse og Foto-akustisk analyse av Cellular Kjøretøy inneholder gull nanorods

Summary

We show the preparation and address the feasibility of cellular vehicles containing gold nanorods for the photoacoustic imaging of cancer.

Abstract

Gull nanorods er attraktive for en rekke biomedisinske applikasjoner, for eksempel fototermiske ablasjon og foto-akustiske avbildning av kreft, takket være deres intense optisk absorbans i nær-infrarøde vinduet, lav cytotoksisitet og potensial til hjem i svulstene. Men fortsatt gjenstår sine leveranser til svulster et problem. En innovativ tilnærming består av utnyttelse av tropisme av tumorassosierte makrofager som kan lastes med gull nanorods in vitro. Her beskriver vi forberedelse og foto-akustiske inspeksjon av cellulære biler inneholder gull nanorods. PEGylerte gull nanostaver er modifisert med kvaternære ammoniumforbindelser, for å oppnå en kationisk profil. Ved kontakt med murine makrofager i vanlige petriskåler, er disse partiklene funnet å gjennomgå massiv opptak i endocytiske vesikler. Da disse cellene er innleiret i biopolymeric hydrogeler, som brukes til å verifisere at stabiliteten av foto-akustiske omdannelseav partiklene holdes i deres inkludering i cellulære kjøretøyer. Vi er sikre på at disse resultatene kan gi ny inspirasjon for utvikling av nye strategier for å levere Plasmonic partikler til svulster.

Introduction

I løpet av det siste tiåret, har ulike Plasmonic partikler som gullnanostaver, nanoshells og nanocages, fått stor oppmerksomhet for applikasjoner i biomedisinsk optikk ^{1, 2, 3, 4.} I strid med standard gull nanospheres, disse nyere partikler resonere i nær infrarød (NIR) vindu som gir dypeste optisk penetrasjon gjennom kroppen og høyest optisk kontrast løpet endogene deler ^1. Denne funksjonen har vekket interesse for innovative applikasjoner, for eksempel foto-akustiske (PA) bildebehandling og fototermiske ablasjon av kreft. Imidlertid flere problemer begrense den kliniske inntrengning av disse partiklene. For eksempel, deres optisk aktivering har en tendens til å indusere deres overoppvarming og for å modifisere deres funksjonelle former mot mer sfæriske profiler, som driver en photoinstability ^{5, 6, 7, 8} </^{sup>, 9.} Et annet problem som dominerer den vitenskapelige debatten er deres systemisk levering i svulstene. Spesielt gull nanorods kombinere størrelser som er ideell for å gjennomsyre svulster som viser økt permeabilitet og oppbevaring og enkel konjugering med spesifikke prober av ondartede markører. Derfor er deres forberedelse for en direkte injeksjon i blodstrømmen oppfattes som en mulig ordning ^{10, 11, 12, 13.} Imidlertid er denne rute problematisk, med de fleste av partiklene bli fanget opp av den mononukleære fagocytt-systemet ^{10, 11, 12.} I tillegg er en annen bekymring den optiske og biokjemisk stabilitet av partiklene etter sirkulasjon gjennom legemet ^14. Når partiklene mister kolloidal stabilitet og samlet, kan deres Plasmonic funksjoner og varmeoverførings dynamikk lider plasmonic koplingen ^15, </sopp> ^{16, 17} og kryss overoppheting ^18.

Mer nylig har begrepet å utnytte tropisme av tumorassosierte makrofager dukket opp som et smart alternativ ^{19, 20, 21.} Disse cellene holder en medfødt evne til å oppdage og gjennomsyre svulster med høy spesifisitet. Derfor kan man perspektiv være å isolere disse cellene fra en pasient, legger du dem med gull nanorods in vitro og deretter injisere dem tilbake til pasienten, med den hensikt å bruke dem som cellulære biler som har ansvaret for leveransen. En annen fordel ville være å få bedre kontroll over den optiske og biokjemisk stabilitet av partiklene, fordi deres biologiske grensesnitt ville være konstruert in vitro. Likevel, forestillinger av disse cellulære biler som optiske kontrastmidler trenger en kritisk analyse.

I dette arbeidet, beskriver vi forberedelse og kritiske spørsmål om cellular kjøretøyer som inneholder gull nanorods for PA avbildning av kreft. PEGylerte gull nanostaver er modifisert med kvartære ammoniumforbindelser ^22, for å oppnå en kationisk profil som er ventet å fremme deres interaksjoner med plasmamembraner ^{23, 24.} Disse partiklene gjennomgå effektiv og uspesifikk opptak fra de fleste cellulære slag, forhåpentligvis uten å forstyrre mye med sine biologiske funksjoner. Murine makrofager er lastet med opp til så mange som 200, 000 kationiske gull nanorods per celle, som blir trange innenfor stramme endocytiske vesikler. Denne konfigurasjonen skulle oppstå bekymring, på grunn av trusselen om plasmonic kopling og tverr overoppheting inni disse blemmer. Derfor er makrofager innleiret i biopolymeric hydrogeler som etterligner biologisk vev, for å verifisere at det meste av stabiliteten PA omdannelse av partiklene holdes i overføringen fra vekstmediet til de endocytiske vesikler. effective målekriterier er utarbeidet for å måle stabiliteten av PA omdannelse under betingelser med umiddelbar interesse for PA-avbildning. En omforming terskel er satt helt på utbruddet av optisk ustabilitet etter et tog av 50 laserpulser med den typiske repetisjonsfrekvens på 10 Hz.

Vi er sikre på at disse resultatene kan gi momentum for utvikling av nye strategier for å levere Plasmonic partikler til svulster.

Protocol

Merk: Alle konsentrasjoner av gull nanorods er uttrykt i form av nominelle Au molaritetene. Til sammenligning med andre verker, oppmerksom på at en M Au tilsvarer omtrent 20 mikrometer gull nanorods, i vårt tilfelle. 1. Utarbeidelse av Cationic Gold nanorods Merk: Fremgangsmåten begynner med syntesen av cetrimonium-bromid (CTAB) -capped gullnanostaver ved autokatalytisk reduksjon av HAuCl 4 med askorbinsyre, i henhold til protokollen introdusert av Ni…

Representative Results

Her er muligheten for mobilnettet kjøretøy som inneholder gull nanorods for PA avbildning av kreft vises sammen med typiske utfall av protokollen. TEM-bilder i figur 1 viser det vanlige utseende av partiklene etter trinn 1, og deres cellulære kjøretøy etter trinn 2. Fremstillingen av partiklene og av cellene for TEM-avbildning er beskrevet andre steder 17. Kationiske gull nanorods gjennomgå en…

Discussion

Oppfatningen å målrette tumor-assosiert makrofager fremstår som en kraftig konsept for å bekjempe kreft ^{34, 35, 36.} Her, i stedet for deres ødeleggelse, er disse cellene rekruttert som cellulære kjøretøy for å bringe gull nanorods inn i en svulst, ved utnyttelse av deres tropisme. Dette perspektivet krever en gjennomtenkt design av partiklene, deres integrering i cellene og deres karakterisering. Vi har funnet at fotostabiliteten av murine makrofager lastet…

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