Tjudrade Bilayer Lipidmembran för att övervaka värmeöverföring mellan guldnanopartiklar och lipidmembran
Summary
Detta arbete beskriver ett protokoll för att uppnå dynamisk, icke-invasiv övervakning av värmeöverföring från laserbestrålade guldnanopartiklar till tBLMs. Systemet kombinerar impedansspektroskopi för realtidsmätning av ledningsförändringar över tBLMs, med en horisontellt fokuserad laserstråle som driver guldnanopartiklar belysning, för värmeproduktion.
Abstract
Här rapporterar vi ett protokoll för att undersöka värmeöverföringen mellan bestrålade guldnanopartiklar (GNPs) och bilayer lipidmembran av elektrokemi med hjälp av tjudrade bilayer lipidmembran (tBLMs) monterade på guldelektroder. Bestrålade modifierade BNI: er, såsom streptavidin-konjugerade BNI, är inbäddade i tBLMs som innehåller målmolekyler, såsom biotin. Genom att använda detta tillvägagångssätt förmedlas värmeöverföringsprocesserna mellan bestrålade GNPs och modell bilayer lipidmembran med enheter av intresse av en horisontellt fokuserad laserstråle. Den termiska prediktiva beräkningsmodellen används för att bekräfta de elektrokemiskt inducerade ledningsförändringarna i tBLMs. Under de specifika förhållanden som användes krävde detektering av värmepulser specifik fastsättning av guldnanopartiklarna på membranytan, medan obundna guldnanopartiklar inte framkallade ett mätbart svar. Denna teknik fungerar som en kraftfull detektionsbiosensor som kan användas direkt för design och utveckling av strategier för termiska terapier som möjliggör optimering av laserparametrar, partikelstorlek, partikelbeläggningar och sammansättning.
Introduction
Hypertermisk prestanda hos bestrålade guldnannoriva material erbjuder en ny klass av minimalt invasiv, selektiv, riktad behandling för infektioner och tumörer1. Anställningen av nanopartiklar som kan värmas upp av en laser har använts för att selektivt förstöra sjuka celler samt ge ett sätt för selektiv läkemedelsleverans2,3. En följd av fototerapeutmolysfenomenen hos uppvärmda plasmoniska nanopartiklar är skador på cellmembranen. Fluid lipid bilayer membran anses vara en särskilt sårbar plats för celler som genomgår sådana behandlingar eftersom denaturering av inneboende membran proteiner samt membranskador kan också leda till celldöd4, eftersom många proteiner finns där för att upprätthålla jonisk potentiell gradient över cellmembran. Även om förmågan att bestämma och övervaka värmeöverföring på nanoskalan är av avgörande intresse för studier och tillämpning av bestrålade BNI1,5,6,7,bedömning och förståelse av de molekylära interaktionerna mellan BNI och biomembran, samt de direkta konsekvenserna av laserinducerade uppvärmningsfenomen av inbäddade BNI i biologiska vävnader, ännu inte har klargjorts helt8. Därför är en grundlig förståelse av hypertermiprocessen för bestrålade BNI fortfarande en utmaning. Utvecklingen av ett nanomaterialelektrodgränssnitt som efterliknar cellernas naturliga omgivning skulle därför kunna utgöra ett sätt att genomföra en djupgående undersökning av värmeöverföringsegenskaperna hos bestrålade nanopartiklar av guld inom biologiska system.
Komplexiteten hos inhemska cellmembran är en av de betydande utmaningarna med att förstå de bestrålade GNPs-interaktionerna i celler. Det har funnits olika konstgjorda membranplattformar utvecklade för att ge nära enkla bio-mimetiska versioner av naturliga lipidmembran arkitektur och funktionalitet, inklusive, men inte begränsat till, svartalipidmembran 9,stöds planar bilayer membran10,hybrid bilayermembran 11,polymer-vadderade lipid bilayer membran12 och tjudrade bilayer lipidmembran13. Varje konstgjord lipidmembranmodell har tydliga fördelar och begränsningar när det gäller att efterlikna de naturliga lipidmembranen14.
Denna studie beskriver anställningen av lipidmembranbelagda elektroder som en sensor för bedömning av guldnanopartiklar och lipidmembraninteraktioner, med hjälp av tBLM-modellen. Det tBLM-baserade biosensordetekteringssystemet ger inneboende stabilitet ochkänslighet 13 eftersom tjudrade membran kan självreparation, till skillnad från andra system (såsom membran som bildas av patchklämma eller liposomer) där endast en liten mängd membranskador resulterar i deras kollaps15,16,17,18. Eftersom tBLMs är av mm2 dimensioner, bakgrund impedans är storleksordningar lägre än patch-clamp inspelning tekniker, vilket möjliggör en registrering av förändringar i basala membran joniskt flöde på grund av nanopartiklar interaktioner. Som ett resultat av detta kan det nuvarande protokollet kontrastera förändringar i membranledningsförmågan med bundna GNPs som är upphetsade av lasrar vars krafter är så låga som 135 nW / μm2.
Det system som presenteras här ger en känslig och reproducerbar metod för att bestämma exakta laserparametrar, partikelstorlek, partikelbeläggningar och sammansättning som behövs för att utforma och utveckla termiska terapier. Detta är avgörande för förfining av framväxande fototermiska terapier, samt för att erbjuda värdefull information för detaljerade mekanismer för värmeöverföring inom biologiska system. Det presenterade protokollet bygger på tidigare publicerat arbete19. En översikt över protokollet är följande: det första avsnittet definierar tBLM-formationen; Det andra avsnittet beskriver hur du konstruerar installationen och justerar excitationslaserkällan. Det sista avsnittet illustrerar hur man extraherar information från data om elektrisk impedansspektroskopi.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll beskriver användningen av tBLM-modell med ett coplanar elektrod substrat i samband med en horisontell laser inriktning inrättas som möjliggör realtid elektrisk impedans inspelning som svar på laser bestrålning av guld nanopartiklar. Metoden för EIS-registrering som presenteras här konstruerar en minimal lista över experiment som är nödvändiga för att ge registrering av jonströmsförändringar över membranet, vilket motsvarar värmen som genereras av den kopp…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Australian Research Council (ARC) Discovery Program (DP150101065) och ARC Research Hub for Integrated Device for End-user Analysis at Low-levels (IDEAL) (IH150100028).
Materials
| 30 nm diameter streptavidin-conjugated gold nanoparticles | Cytodiagnostics | AC-30-04-05 | This is a streptavidin-conjugated GNPs product ready for use |
| 30 nm diameter bare gold nanoparticles | Sigma-Aldrich | 753629 | This is a bare GNPs product ready for use |
| Cholesterol-PEG-Biotin (MW1000) | NANOCS | PG2-BNCS-10k | Dissolved in highly pure ethanol |
| C20 Diphytanyl-Glycero-Phosphatidylcholine lipids | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S1 | 1 ml glass vial containing 70% C16 diphytanyl phosphatidylcholine (DPEPC) and 30% C16 diphytanyl glycerol (GDPE) in 99.9% ethanol |
| Benzyl-disulfide-tetra-ethyleneglycol-OH | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S2 | Spacer molecules |
| Benzyl-disulfide (tetra-ethyleneglycol) n=2 C20-phytanyl | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S2 | Tethered molecules |
| 532 nm green laser continuous light | OBIS LS/OBIS CORE LS, China | ND-1000 | The power of this laser was ~135 mW |
| tethaPod EIS reader | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-R1 | A reader of conductance and capacitance on six channels simultaneously |
| tethaPlate cartridge assembly | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-BG | Materials to attach the slide with electrodes to the flow cell cartridge |
| Clamp and slide assembly jig | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-A1 | Materials to attach the slide with electrodes to the flow cell cartridge |
| Lipid coated coplanar gold electrodes | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-T10 | Coplanar gold electrodes are made from 25 mm x 75 mm x 1 mm polycarbonate base substrate with patterned gold arrays layout, then coated with benzyldisulphide, bis-tetraethylene glycol C16 phytanyl half membrane spanning tethers in a tether ratio of 10% |
| tethaQuick software | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-B1 | Software for use with tethaPod to process data and display conductance, impedance and capacitance measurements from the tethaPlate electrodes |
| 99.9% Pure ethanol | Sigma-Aldrich | 34963 | Absolute, 99.9% |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P4417 | pH 7 |
References
- Her, S., Jaffray, D. A., Allen, C. Gold nanoparticles for applications in cancer radiotherapy: Mechanisms and recent advancements. Advanced Drug Delivery Reviews. 109, 84-101 (2017).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Killingsworth, M. C., Xu, X., Cortie, M. B. Targeted destruction of murine macrophage cells with bioconjugated gold nanorods. Journal of Nanoparticle Research. 9 (6), 1109-1124 (2007).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Miller, C. M., Cortie, M. B. A golden bullet? Selective targeting of Toxoplasma gondii tachyzoites using antibody-functionalized gold nanorods. Nano Letters. 7 (12), 3808-3812 (2007).
- Zhang, H. -. G., Mehta, K., Cohen, P., Guha, C. Hyperthermia on immune regulation: a temperature’s story. Cancer Letters. 271 (2), 191-204 (2008).
- Gobin, A. M., et al. Near-infrared resonant nanoshells for combined optical imaging and photothermal cancer therapy. Nano Letters. 7 (7), 1929-1934 (2007).
- Jackson, J. B., Halas, N. J. Surface-enhanced Raman scattering on tunable plasmonic nanoparticle substrates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (52), 17930-17935 (2004).
- Emelianov, S. Y., Li, P. -. C., O’Donnell, M. Photoacoustics for molecular imaging and therapy. Physics Today. 62 (8), 34 (2009).
- Dimitriou, N. M., et al. Gold nanoparticles, radiations and the immune system: Current insights into the physical mechanisms and the biological interactions of this new alliance towards cancer therapy. Pharmacology & Therapeutics. 178, 1-17 (2017).
- Mueller, P., Rudin, D. O., Tien, H. T., Wescott, W. C. Reconstitution of cell membrane structure in vitro and its transformation into an excitable system. Nature. 194 (4832), 979 (1962).
- Tamm, L. K., McConnell, H. M. Supported phospholipid bilayers. Biophysical Journal. 47 (1), 105-113 (1985).
- Plant, A. L. Supported hybrid bilayer membranes as rugged cell membrane mimics. Langmuir. 15 (15), 5128-5135 (1999).
- Sackmann, E. Supported membranes: scientific and practical applications. Science. 271 (5245), 43-48 (1996).
- Alghalayini, A., Garcia, A., Berry, T., Cranfield, C. G. The Use of Tethered Bilayer Lipid Membranes to Identify the Mechanisms of Antimicrobial Peptide Interactions with Lipid Bilayers. Antibiotics. 8 (1), 12 (2019).
- Khan, M. S., Dosoky, N. S., Williams, J. D. Engineering lipid bilayer membranes for protein studies. International Journal of Molecular Sciences. 14 (11), 21561-21597 (2013).
- Urban, P., Kirchner, S. R., Mühlbauer, C., Lohmüller, T., Feldmann, J. Reversible control of current across lipid membranes by local heating. Scientific Reports. 6, 22686 (2016).
- Palankar, R., et al. Nanoplasmonically-induced defects in lipid membrane monitored by ion current: transient nanopores versus membrane rupture. Nano Letters. 14 (8), 4273-4279 (2014).
- Bendix, P. M., Reihani, S. N. S., Oddershede, L. B. Direct measurements of heating by electromagnetically trapped gold nanoparticles on supported lipid bilayers. ACS Nano. 4 (4), 2256-2262 (2010).
- Plaksin, M., Shapira, E., Kimmel, E., Shoham, S. Thermal transients excite neurons through universal intramembrane mechanoelectrical effects. Physical Review X. 8 (1), 011043 (2018).
- Alghalayini, A., et al. Real-time monitoring of heat transfer between gold nanoparticles and tethered bilayer lipid membranes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. , 183334 (2020).
- Moradi-Monfared, S., Krishnamurthy, V., Cornell, B. A molecular machine biosensor: construction, predictive models and experimental studies. Biosensors and Bioelectronics. 34 (1), 261-266 (2012).
- Hoiles, W., Gupta, R., Cornell, B., Cranfield, C., Krishnamurthy, V. The effect of tethers on artificial cell membranes: A coarse-grained molecular dynamics study. PloS One. 11 (10), 0162790 (2016).
- Cranfield, C. G., et al. Transient potential gradients and impedance measures of tethered bilayer lipid membranes: pore-forming peptide insertion and the effect of electroporation. Biophysical Journal. 106 (1), 182-189 (2014).
- Dombrovsky, L. A. . Radiation heat transfer in disperse systems. , (1996).
- Cornell, B. A., Braach-Maksvytis, V., King, L., Osman, P. A biosensor that uses ion-channel switches. Nature. 387 (6633), 580 (1997).
- Maccarini, M., et al. Nanostructural determination of a lipid bilayer tethered to a gold substrate. The European Physical Journal E. 39 (12), 123 (2016).
- Beugin-Deroo, S., Ollivon, M., Lesieur, S. Bilayer stability and impermeability of nonionic surfactant vesicles sterically stabilized by PEG-cholesterol conjugates. Journal of Colloid and Interface Science. 202 (2), 324-333 (1998).
- Kendall, J. K., et al. Effect of the Structure of Cholesterol-Based Tethered Bilayer Lipid Membranes on Ionophore Activity. ChemPhysChem. 11 (10), 2191-2198 (2010).
- Jiang, W., Kim, B. Y., Rutka, J. T., Chan, W. C. Nanoparticle-mediated cellular response is size-dependent. Nature Nanotechnology. 3 (3), 145 (2008).
- He, C., Hu, Y., Yin, L., Tang, C., Yin, C. Effects of particle size and surface charge on cellular uptake and biodistribution of polymeric nanoparticles. Biomaterials. 31 (13), 3657-3666 (2010).
- Wang, F. X., et al. Surface and bulk contributions to the second-order nonlinear optical response of a gold film. Physical Review B. 80 (23), 233402 (2009).
