Synthèse et caractérisation des nanoparticules d'or amphiphiles
Summary
Les nanoparticules d’or amphiphiles peuvent être utilisées dans de nombreuses applications biologiques. Un protocole de synthèse des nanoparticules d’or recouverte d’un mélange binaire de ligands et d’une caractérisation détaillée de ces particules est présenté.
Abstract
Les nanoparticules d’or recouvertes d’un mélange de 1-octanethiol (OT) et d’acide sulfonique de 11-mercapto-1-undecane (MUS) ont été intensivement étudiées en raison de leurs interactions avec les membranes cellulaires, les bicouches lipidiques et les virus. Les ligands hydrophiles rendent ces particules familièrement stables dans des solutions aqueuses et la combinaison avec des ligands hydrophobes crée une particule amphiphile qui peut être chargée avec des drogues hydrophobes, fusionner avec les membranes lipidiques, et résister non spécifique l’adsorption protéique. Beaucoup de ces propriétés dépendent de la taille des nanoparticules et de la composition de la coquille ligand. Il est donc crucial d’avoir une méthode synthétique reproductible et des techniques de caractérisation fiables qui permettent de déterminer les propriétés des nanoparticules et la composition de la coquille ligand. Ici, une réduction chimique en une phase, suivie d’une purification complète pour synthétiser ces nanoparticules de diamètre inférieur à 5 nm, est présentée. Le rapport entre les deux ligands à la surface de la nanoparticule peut être réglé par leur rapport stoichiométrique utilisé lors de la synthèse. Nous démontrons comment diverses techniques de routine, telles que la microscopie électronique de transmission (TEM), la résonance magnétique nucléaire (NMR), l’analyse thermogravimétrique (TGA) et la spectrométrie ultraviolet-visible (UV-Vis), sont combinées à caractériser les paramètres physicochimiques des nanoparticules.
Introduction
La coquille ligand des nanoparticules d’or peut être conçue pour montrer plusieurs propriétés différentes qui peuvent être appliquées pour répondre aux défis dans la biomédecine1,2,3,4. Une telle polyvalence permet de contrôler les interactions intermoléculaires entre les nanoparticules et les biomolécules5,6,7. L’hydrophobicité et la charge jouent un rôle décisif, ainsi que d’autres paramètres de surface qui affectent la façon dont les nanoparticules interagissent avec les biomolécules5,8,9. Pour régler les propriétés de surface des nanoparticules, le choix des molécules de thiolate qui composent la coquille ligand offre une myriade de possibilités, selon les caractéristiques recherchées. Par exemple, un mélange de molécules de ligandavec des groupes d’extrémité hydrophobes et hydrophiles (par exemple, chargés) sont souvent utilisés pour générer des nanoparticules amphiphiles10,11.
Un exemple proéminent de ce type de nanoparticules est protégé par un mélange d’OT et de MUS (ci-après appelé MUS : nanoparticules d’OT) qui a été montré pour posséder beaucoup de propriétés pertinentes12,13,14. Tout d’abord, avec une composition de coquille ligand de 66% MUS (ci-après 66:34 MUS:OT), la stabilité colloïdale des nanoparticules est élevée, atteignant jusqu’à 33% de poids dans l’eau déionisée, ainsi que dans le phosphate tamponné salin (1x, 4 mM phosphate, 150 mM NaCl)15. De plus, ces particules ne se précipitent pas à des valeurs de pH relativement faibles : par exemple, au pH 2,3 et avec des concentrations de sel de 1 M NaCl15,ces nanoparticules restent familièrement stables pendant des mois. Le rapport stoichiométrique entre les deux molécules sur la coquille ligand est important parce qu’il dicte la stabilité colloïdale dans les solutions avec une force ionique élevée16.
Ces particules ont été montrées pour traverser la membrane cellulaire sans la pomer, par l’intermédiaire d’une voie énergie-indépendante1,12. La fusion spontanée entre ces particules et les bicouches lipidiques sous-tend leur diffusion à travers les membranes cellulaires17. Le mécanisme derrière cette interaction est la minimisation du contact entre une surface hydrophobe accessible aux solvants et des molécules d’eau lors de la fusion avec des bicouches lipidiques18. Par rapport aux nanoparticules entièrement MUS (nanoparticules n’ayant que le ligand MUS sur leur coquille), l’hydrophobicité plus élevée sur les nanoparticules mixtes MUS:OT (par exemple, à une composition de 66:34 MUS:OT) augmente la portée du diamètre du noyau qui peut fusionner avec les lipides bicouches18. Différentes organisations d’auto-assemblage de la coquille ligand sont en corrélation avec des modes de liaison distincts de 66:34 MUS:OT nanoparticules avec diverses protéines, telles que l’albumine et l’ubiquitine, par rapport aux particules tout-MUS19. Récemment, il a été rapporté que 66:34 MUS:OT nanoparticules peuvent être utilisés comme un agent antiviral à large spectre qui détruit irrémédiablement les virus en raison de liaisons électrostatiques multivalentes de ligands MUS et des accouplements non locaux de ligands OT à capsid protéines14. Dans tous ces cas, il a été constaté que la teneur hydrophobe, ainsi que la taille de base des nanoparticules, détermine comment ces interactions bio-nano ont lieu. Ces diverses propriétés des nanoparticules DE MUS:OT ont incité de nombreuses études de simulation informatique qui visaient à clarifier les mécanismes qui sous-tendent les interactions entre les particules MUS:OT et diverses structures biologiques telles que les bicouches lipidiques20.
La préparation des nanoparticules Au protégées par l’OT pose quelques défis. Tout d’abord, le ligand chargé (MUS) et le ligand hydrophobe (OT) sont immiscibles. Ainsi, la solubilité des nanoparticules et des ligands doit être prise en compte tout au long de la synthèse, ainsi que lors de la caractérisation. En outre, la pureté des molécules de ligand MUS, en particulier la teneur en sels inorganiques dans le matériau de départ, influence la qualité, la reproductibilité, ainsi que la stabilité colloïdale à court et à long terme des nanoparticules.
Ici, une synthèse détaillée et la caractérisation de cette classe de nanoparticules d’or amphiphiles protégées par un mélange de MUS et d’OT sont décrites. Un protocole pour la synthèse du ligand de MUS chargé négativement est rapporté pour assurer la pureté et, par conséquent, la reproductibilité de différentes synthèses de nanoparticules. Ensuite, la procédure de générer ces nanoparticules, basée sur une synthèse commune en une seule phase, suivie d’une purification complète, est rapportée en détail. Diverses techniques de caractérisation nécessaires21, telles que TEM, UV-Vis, TGA et NMR, ont été combinées pour obtenir tous les paramètres nécessaires pour toute autre expérience biologique.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ce protocole décrit d’abord la synthèse du ligand muséal, puis la synthèse et la caractérisation des nanoparticules d’or amphiphiles MUS:OT. La synthèse de la MUS avec une teneur minimale en sel permet une meilleure fiabilité du rapport stoichiométrique entre les ligands lors de la synthèse des nanoparticules, qui est un facteur clé pour la synthèse reproductible des nanoparticules MUS:OT avec une cible hydrophobe contenu (Figure 8). L’utilisation du méthanol comme solvant commun…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. et F.S. remercient la Fondation nationale suisse pour la science et, en particulier, le NCCR ‘Molecular Systems Engineering’. Z.L. et F.S. remercient le soutien de la subvention de la Division II de la Fondation nationale suisse pour la science. Tous les auteurs remercient Quy Ong pour les discussions fructueuses et pour la relecture du manuscrit.
Materials
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| Separatory funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
References
- Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
- Yeh, Y. -. C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
- Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
- Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , (2014).
- Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
- Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
- Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
- Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
- Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
- Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
- Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
- Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
- Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
- Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
- Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
- Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
- Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
- Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
- Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
- Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
- Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
- Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
- Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
- Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).
