Upprättande och Photoacoustic Analys av Cellular fordon som innehåller guld nanostavar

Summary

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

Abstract

Guld nanostavar är attraktiva för en rad biomedicinska tillämpningar, såsom fototermiska ablation och fotoakustiska avbildning av cancer, tack vare deras intensiva optisk absorbans i det nära infraröda fönster, låg cytotoxicitet och potential till hem till tumörer. Men deras leverans till tumörer fortfarande ett problem. Ett innovativt tillvägagångssätt består av utnyttjande av tropism av tumörassocierade makrofager som kan laddas med guldnanostavar in vitro. Här beskriver vi framställningen och fotoakustiska inspektion av cellulära fordon innehållande guldnanostavar. PEGylerade guldnanostavar är modifierade med kvartära ammoniumföreningar, i syfte att uppnå en katjonisk profil. Vid kontakt med murina makrofager i vanliga petriskålar är dessa partiklar befunnits genomgå massiv upptag i endocytiska vesiklar. Då dessa celler är inbäddade i biopolymera hydrogeler, som används för att kontrollera att stabiliteten av fotoakustiska omvandlingenav partiklarna kvarhålls i deras införlivande i cellulära fordon. Vi är övertygade om att dessa resultat kan ge ny inspiration för utveckling av nya strategier för att leverera plasmoniska partiklar till tumörer.

Introduction

Under det senaste årtiondet har olika plasmoniska partiklar såsom guld nanostavar, nanoshells och nanocages, fått stor uppmärksamhet för tillämpningar inom biomedicinsk optik ^{1, 2, 3, 4.} I strid med standardguldnanosfärer, dessa nyare partiklar resonans i det nära infraröda (NIR) fönster som ger djupaste optiska penetrering genom kroppen och högsta optiska kontrast över endogena komponenter ^1. Denna funktion har väckt intresse för innovativa tillämpningar, såsom fotoakustisk (PA) avbildning och fototermiska ablation av cancer. Men flera frågor hålla den kliniska penetrationen av dessa partiklar. Till exempel, tenderar deras optiska aktivering för att inducera deras överhettning och att ändra sina funktionella former till mer sfäriska profiler, som driver en photoinstability ^{5, 6, 7, 8} </^{sup>, 9.} En annan fråga som dominerar den vetenskapliga debatten är deras systemleverans till tumörer. Framför allt guld nanostavar kombinera storlekar som är idealiska för att genomsyra tumörer som visar ökad permeabilitet och retention och enkel konjugering med specifika prober av maligna markörer. Därför är deras förberedelse för en direkt injektion i blodströmmen uppfattas som ett genomförbart system ^{10, 11, 12, 13.} Men denna väg är fortfarande problematiskt med de flesta av partiklarna blir fångas upp av det mononukleära fagocyt-systemet ^{10, 11, 12.} Dessutom är ett annat bekymmer den optiska och biokemisk stabilitet av partiklarna efter cirkulation genom kroppen ^14. När partiklarna förlorar sin kolloidal stabilitet och aggregat, kan deras plasmoniska funktioner och värmeöverföringsdynamik lider av plasmoniska koppling ^15, </supp> ^{16, 17} och tvär överhettning ^18.

På senare tid har begreppet att utnyttja tropism av tumörassocierade makrofager dykt upp som ett smart alternativ ^{19, 20, 21.} Dessa celler hålla en medfödd förmåga att upptäcka och genomsyra tumörer med hög specificitet. Därför kan ett perspektiv vara att isolera dessa celler från en patient, ladda dem med guldnanostavar in vitro och sedan injicera dem tillbaka in i patienten, med avsikt att använda dem som cellulära fordon som ansvarar för leveransen. En annan fördel skulle vara att få mer kontroll över de optiska och biokemiska stabiliteten av partiklarna, eftersom deras biologiska gränssnitt skulle byggas in vitro. Ändå prestanda dessa cellulära fordon som optiska kontrastmedel behöver en kritisk analys.

I detta arbete, beskriver vi framställningen och kritiska frågor om cellular fordon innehållande guld nanostavar för PA avbildning av cancer. PEGylerade guld nanostavar är modifierade med kvartära ammoniumföreningar ^22, i syfte att uppnå en katjonisk profil som förväntas främja deras interaktioner med plasmamembran ^{23, 24.} Dessa partiklar genomgår effektiv och ospecifik upptagning från de flesta cellulära slag, förhoppningsvis utan att störa mycket med sina biologiska funktioner. Murina makrofager är laddade med upp till så många som 200, 000 katjoniska guld nanostavar per cell, som blir begränsade inom snäva endocytiska vesiklar. Denna konfiguration skulle uppstå oro, på grund av hotet om plasmoniska koppling och tvär överhettning i dessa vesiklar. Därför makrofagerna inbäddade i biopolymera hydrogeler som efterliknar biologiska vävnader, för att kontrollera att de flesta av stabiliteten hos PA omvandling av partiklarna bibehålls i överföringen från tillväxtmediet till endocytiska vesiklar. effectivkriterier e mätning utarbetas för att mäta stabiliteten i PA konvertering under förhållanden av omedelbart intresse för PA avbildning. En omformning tröskel sätts på mycket starten av optisk instabilitet efter ett tåg av 50 laserpulser med den typiska repetitionsfrekvens på 10 Hz.

Vi är övertygade om att dessa resultat kan ge impulser till utveckling av nya strategier för att leverera plasmoniska partiklar till tumörer.

Protocol

Notera: Alla koncentrationer av guldnanostavar är uttryckta i termer av nominella Au molariteter. För jämförelse med andra verk, notera att en M Au motsvarar ungefär 20 pm guldnanostavar, i vårt fall. 1. Framställning av katjonisk Gold nanostavar Obs: Metoden börjar med syntesen av cetrimonium bromid (CTAB) -capped guldnanostavar från autokatalytisk reduktion av HAuCl 4 med askorbinsyra, enligt protokollet som införts genom et al Nikoo…

Representative Results

Här, är det är möjligt att cellulära fordon som innehåller guldnanostavar för PA avbildning av cancer som visas tillsammans med typiska resultat av protokollet. TEM bilder i Figur 1 visar den vanliga utseendet av partiklarna efter steg 1 och deras cellulära fordon efter steg 2. Beredningen av partiklarna och cellerna för TEM avbildning beskrivs på annat håll 17. Katjoniska guld nanostavar…

Discussion

Begreppet att rikta tumörassocierade makrofager framstår som ett starkt koncept för kampen mot cancer ^{34, 35, 36.} Här, i stället för deras förstörelse, är dessa celler rekryteras som cellulära fordon för att få guldnanostavar i en tumör, genom utnyttjandet av deras tropism. Detta perspektiv kräver en genomtänkt design av partiklarna, deras integration i cellerna och deras karakterisering. Vi har funnit att fotostabilitet av murina makrofager laddade m…

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