توليف لشل الأساسية لانثانيدات يخدر نانوكريستالس Upconversion لتطبيقات الهاتف الخلوي
Summary
ويرد بروتوكول لتوليف نانوكريستالس upconversion يخدر لانثانيدات شل الأساسية (أوكنس) وتطبيقاتها الخلوية للائحة البروتين القناة على الإضاءة الخفيفة (الجرد) القريبة من الأشعة تحت الحمراء.
Abstract
لانثانيدات يخدر upconversion نانوكريستالس (أوكنس) قد اجتذبت قدرا كبيرا من الاهتمام في السنوات الأخيرة استناداً إلى خصائصها الضوئية واعدة ويمكن السيطرة عليها، التي تسمح بامتصاص الضوء (الجرد) القريبة من الأشعة تحت الحمراء ويمكن تحويله بعد ذلك إلى متعدد الانبعاثات التي تمتد عبر طائفة واسعة من المناطق من الأشعة فوق البنفسجية إلى مرئية لتقرير الجرد الوطني. تعرض هذه المقالة إجراءات تجريبية مفصلة لدرجات حرارة عالية الترسيب المشارك توليف أوكنس شل الأساسية التي تدمج أيونات مختلفة لانثانيدات نانوكريستالس لكفاءة تحويل الأنسجة العميقة حدودية نير الإثارة (808 شمال البحر الأبيض المتوسط) إلى انبعاثات زرقاء قوية في 480 نانومتر. بالتحكم في تعديل السطح مع البوليمر متوافق حيويا (حمض polyacrylic، أجزاء من الكمية المخصصة)، يكتسب أوكنس كإعداد كبيرة الذوبان في المخزن المؤقت للحلول. كذلك يتم فونكتيوناليزيد نانوكريستالس ماء مع يغاندس محددة (ديبينزيل سيكلوكتيني، دبكو) للتعريب في غشاء الخلية. على ضوء تقرير الجرد الوطني (808 نانومتر) التشعيع، انبعاث تحويل الأزرق يمكن تنشيط فعالية البروتين القناة عن طريق بوابة الضوء على غشاء الخلية وتحديداً تنظيم تدفق الأيونات الموجبة (مثلاً، Ca2 +) في السيتوبلازم. يوفر هذا البروتوكول وضع منهجية ممكنة لتركيب أوكنس يخدر لانثانيدات الأساسية-شل واللاحقة تعديل السطح متوافق حيويا لمزيد من التطبيقات الخلوية.
Introduction
في السنوات الأخيرة، يخدر لانثانيدات upconversion نانوكريستالس (أوكنس) وقد استخدمت على نطاق واسع كبديل للصبغات العضوية التقليدية ونقاط الكم في التطبيقات الطبية الحيوية، التي تقوم أساسا على المواد الكيميائية العالقة والخصائص البصرية، بما في ذلك توافق مع الحياة العظيم، ومقاومة عالية فوتوبليتشينج، وانبعاث ضيقة النطاق الترددي1،،من23. الأهم من ذلك، أنها يمكن اعتبارها نانوترانسدوسير واعدة مع أنسجة ممتازة اختراق العمق في فيفو لتحويل الإثارة (الجرد) القريبة من الأشعة تحت الحمراء في مجموعة واسعة نطاق من انبعاثات من الأشعة فوق البنفسجية، المرئية، ومناطق الجرد عن طريق متعدد الفوتون upconversion عملية4،5. هذه الخصائص الفريدة تجعل أوكنس يخدر لانثانيدات تخدم كوسيلة واعدة للاستشعار البيولوجي والتصوير الطبي الحيوي والأمراض ثيرانوستيكس6،،من78.
مكونات أوكنس عامة تستند أساسا إلى أيونات لانثانيدات مخدر في مصفوفة المضيف العزل يتضمن محسس (مثلاً، Yb3 +، Nd3 +) ومنشط (مثلاً، Tm3 +، Er3 +، هو 3 +) داخل البلورة البلوتينيوم9. الانبعاثات الضوئية المختلفة من نانوكريستالس يعزى إلى التحول الإلكترونية المترجمة داخل المداراتو 4 دوبانتس لانثانيدات سبب بهم مثل سلم ترتيب مستوى الطاقة10. ولذلك، من المهم للتحكم بدقة في حجم ومورفولوجية أوكنس المركب مع دوبانتس لانثانيدات متعددة المكونات. بحق، بعض الأساليب الواعدة كذلك أقيمت لإعداد لانثانيدات يخدر أوكنس، بما في ذلك التحلل الحراري، الترسيب المشارك درجة الحرارة العالية، وتوليف الحرارية المائية، وتجهيز سول-جل، إلخ11 , 12 , 13 بين هذه النهج، هو طريقة الترسيب المشارك درجة الحرارة العالية إحدى الاستراتيجيات الأكثر شعبية ومريحة لتوليف أوكنس، الذي يمكن التحكم بدقة لإعداد نانوكريستالس عالية الجودة المرغوبة بشكل موحد و حجم التوزيع في فترة قصيرة نسبيا من رد فعل ومنخفضة التكلفة14. ومع ذلك، معظم النانو توليفها من قبل هذا الأسلوب هي أساسا توج مع يغاندس مسعور مثل حمض الأولييك وأولييلاميني، والتي تعوق عموما على بيوابليكيشن أخرى سبب المحدودة ليجند مسعور القابلية للذوبان في المحلول 15-ولذلك، من الضروري تنفيذ تقنيات تعديل السطح مناسب لإعداد أوكنس متوافق حيويا في التطبيقات البيولوجية في المختبر و في فيفو.
وهنا، نقدم الإجراء التجريبي مفصلة لتركيب النانو أوكنس الأساسية-شل من خلال طريقة الترسيب المشارك درجة الحرارة العالية وتقنية تعديل ممكن فونكتيوناليزي البوليمر متوافق حيويا على سطح أوكنس مزيد من التطبيقات الخلوية. هذا نانوبلاتفورم أوكنس ودمج ثلاثة أيونات لانثانيدات (Yb3 +Nd3 +والخرائط المواضيعية3 +) نانوكريستالس للحصول على انبعاث الأزرق قوي (~ 480 نانومتر) عند الجرد الإثارة الخفيفة في 808 نانومتر، الذي لديه أكبر اختراق عمق في الأنسجة الحية. من المعروف جيدا أن Nd3 +-أوكنس مخدر عرض تأثيرات الاستيعاب وارتفاع درجة حرارة المياه المصغر في هذا الإطار الطيفية (808 نانومتر) بالمقارنة مع أوكنس التقليدية عند 980 نانومتر تشعيع16،17، 18. وعلاوة على ذلك، على أن تستخدم في أوكنس في النظم البيولوجية، يغاندس مسعور (حمض الأولييك) على سطح أوكنس هي أولاً إزالة بواسطة sonication في حل حامض19. ثم يتم تعديل أوكنس خالية من يجند المزيد مع بوليمر متوافق حيويا (حمض polyacrylic، أجزاء من الكمية المخصصة) اكتساب كبيرة القابلة للذوبان في المحاليل20. وعلاوة على ذلك، كدليل على مفهوم في تطبيقات الهاتف الخلوي، هي كذلك فونكتيوناليزيد أوكنس ماء مع يغاندس (ديبينزيل سيكلوكتيني، دبكو) الجزيئية للتعريب محددة على N3-معلم غشاء الخلية. على ضوء تقرير الجرد الوطني (808 نانومتر) الإشعاع، وانبعاث تحويل الزرقاء في 480 نانومتر يمكن تنشيط فعالية بروتين قناة عن طريق بوابة الضوء، تشانيلرهودوبسينس-2 (ChR2) وعلى الخلية السطح ومما ييسر تدفق الأيونات الموجبة (مثلاً، Ca2 + أيون) عبر غشاء الخلايا الحية.
يوفر هذا البروتوكول الفيديو منهجا عمليا يخدر لانثانيدات توليف أوكنس وتعديل السطح متوافق حيويا بيوابليكيشن أوكنس في الخلايا الحية. أي اختلافات في تقنيات التوليف والكواشف الكيميائية المستخدمة في النمو نانوكريستال سوف يؤثر على حجم التوزيع ومورفولوجيا upconversion الأطياف التﻷلؤ (UCL) للنهائي أوكنس النانو المستخدمة في التجارب الخلية. هذا البروتوكول فيديو مفصلة مستعدة لمساعدة الباحثين جديدة في هذا المجال تحسين إمكانية تكرار نتائج أوكنس بطريقة الترسيب المشارك درجة الحرارة العالية، وتجنب الأخطاء الأكثر شيوعاً في أوكنس تعديل السطح متوافق حيويا لمواصلة التطبيقات الخلوية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقدمت هذه المقالة أسلوب لتوليف نانوكريستالس upconversion يخدر لانثانيدات شل الأساسية (أوكنس)، وعلى تعديل السطح مع مويتيس الوظيفية للتطبيقات الخلوية. نانوماتيريال هذه الرواية تمتلك الخصائص البصرية المعلقة، التي يمكن أن تنبعث منها الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي عند الجرد الإثارة الخفيفة م…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل جزئيا وأيده NTU-آيت-نام فيروس/16001، RG110/16 (S)، (RG 11/13)، ومنحت (RG 35/15) في جامعة نانيانغ التكنولوجية، وسنغافورة، والوطنية العلوم الطبيعية مؤسسة من الصين (تشرف) (رقم 51628201).
Materials
| 1-Octadecene | Sigma Aldrich | O806 | Technical grade |
| oleic acid | Sigma Aldrich | 364525 | Technical grade |
| Methanol | Fisher Scientific | A412 | Technical grade |
| Ethanol | Fisher Scientific | A405 | Technical grade |
| Acetone | Fisher Scientific | A18 | Technical grade |
| Hexane | Sigma Aldrich | H292 | Technical grade |
| Thulium (III) acetate hydrate (Tm(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 367702 | 99.9% trace metals basis |
| Neodymium (III) acetate hydrate (Nd(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 325805 | 99.9% trace metals basis |
| Ytterbium (III) acetate hydrate (Yb(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 326011 | 99.9% trace metals basis |
| Yttrium(III) acetate hydrate (Y(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 326046 | 99.9% trace metals basis |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma Aldrich | S5881 | reagent grade |
| Ammonium fluoride (NH4F) | Sigma Aldrich | 338869 | ACS reagent |
| Hydrogen chloride (HCl) | Fisher Scientific | A144 | reagent grade |
| polyacrylic acid (PAA) | Sigma Aldrich | 323667 | average Mw 1800 |
| 1-Hydroxybenzotriazole hydrate (HOBT) | Sigma Aldrich | 54802 | ACS reagent |
| 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride (EDC) | Sigma Aldrich | E7750 | commercial grade |
| Dibenzocyclooctyne-amine (DBCO-NH2) | Sigma Aldrich | 761540 | ACS reagent |
| N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA) | Sigma Aldrich | D125806 | ACS reagent |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific | BP231 | Technical grade |
| HEK293 cell line | ATCC | CRL-1573 | human embryonic kidney |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma Aldrich | F1051 | ACS reagent |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher | 15140122 | 10,000 U/mL |
| plasmid (pCAGGS-ChR2-Venus) | Addgene | 15753 | Plasmid sent as bacteria in agar stab |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Thermo Fisher | 11965092 | High glucose |
| opti-Modified Eagle Medium (MEM) | Thermo Fisher | 51985034 | Reduced Serum Media |
| Lipofectamine 3000 Transfection Reagent | Thermo Fisher | L3000015 | Lipid-Based Transfection |
| N-Azidoacetylmannosamine, Acetylated (Ac4ManNAz) | Sigma Aldrich | A7605 | ACS reagent |
| Trypsin-EDTA (0.25%) | Thermo Fisher | 25200056 | Phenol red |
| Rhod-3 AM Calcium Imaging Kit | Thermo Fisher | R10145 | Fluorescence dye |
| 5-carboxytetramethylrhodamine-azide (Rhod-N3) | Sigma Aldrich | 760757 | Azide-fluor 545 |
| Confical dish | ibidi GmbH | 81158 | Glass Bottom, 35 mm |
| 50 ml conical centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 227261 | Polypropylene |
| 15 ml conical centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 188271 | Polypropylene |
| 1.5 ml conical microcentrifuge tubes | Greiner Bio-One | 616201 | Polypropylene |
| Phenylmethyl silicone oil | Clearco Products | 63148-52-7 | Less than 320 degrees Celsius |
| Glass thermometer | GH Zeal | L0111/10 | From -10 to 360 degrees Celsius |
| 12-well plate | Sigma Aldrich | Z707775 | Polystyrene |
Referências
- Wang, F., et al. Tuning upconversion through energy migration in core-shell nanoparticles. Nat Mater. 10 (12), 968-973 (2011).
- Liu, Y., et al. Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy. Nature. 543 (7644), 229-233 (2017).
- Fan, W., Bu, W., Shi, J. On The Latest Three-Stage Development of Nanomedicines based on Upconversion Nanoparticles. Adv Mater. 28 (24), 3987-4011 (2016).
- Zhu, X., et al. Temperature-feedback upconversion nanocomposite for accurate photothermal therapy at facile temperature. Nat Commun. 7, 10437-10446 (2016).
- Li, W., Wang, J., Ren, J., Qu, X. Near-infrared upconversion controls photocaged cell adhesion. J Am Chem Soc. 136 (6), 2248-2251 (2014).
- Min, Y., Li, J., Liu, F., Yeow, E. K., Xing, B. Near-infrared light-mediated photoactivation of a platinum antitumor prodrug and simultaneous cellular apoptosis imaging by upconversion-luminescent nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 53 (4), 1012-1016 (2014).
- Yang, D., Ma, P., Hou, Z., Cheng, Z., Li, C., Lin, J. Current advances in lanthanide ion (Ln(3+))-based upconversion nanomaterials for drug delivery. Chem Soc Rev. 44 (6), 1416-1448 (2015).
- Wang, C., Cheng, L., Liu, Z. Upconversion nanoparticles for photodynamic therapy and other cancer therapeutics. Theranostics. 3 (5), 317-330 (2013).
- Li, L. L., et al. Biomimetic surface engineering of lanthanide-doped upconversion nanoparticles as versatile bioprobes. Angew Chem Int Ed. 51 (25), 6121-6125 (2012).
- Wang, J., Ming, T., Jin, Z., Wang, J., Sun, L. D., Yan, C. H. Photon energy upconversion through thermal radiation with the power efficiency reaching 16%. Nat Commun. 5, 5669-5678 (2014).
- Zou, W., Visser, C., Maduro, J. A., Pshenichnikov, M. S., Hummelen, J. C. Broadband dye-sensitized upconversion of near-infrared light. Nat Photonics. 6 (8), 560-564 (2012).
- Liu, Y., Tu, D., Zhu, H., Li, R., Luo, W., Chen, X. A strategy to achieve efficient dual-mode luminescence of Eu(3+) in lanthanides doped multifunctional NaGdF(4) nanocrystals. Adv Mater. 22 (30), 3266-3271 (2010).
- Min, Y., Li, J., Liu, F., Padmanabhan, P., Yeow, E. K., Xing, B. Recent Advance of Biological Molecular Imaging Based on Lanthanide-Doped Upconversion-Luminescent Nanomaterials. Nanomaterials. 4 (1), 129-154 (2014).
- Li, X., Zhang, F., Zhao, D. Lab on upconversion nanoparticles: optical properties and applications engineering via designed nanostructure. Chem Soc Rev. 44 (6), 1346-1378 (2015).
- Gu, Z., Yan, L., Tian, G., Li, S., Chai, Z., Zhao, Y. Recent advances in design and fabrication of upconversion nanoparticles and their safe theranostic applications. Adv Mater. 25 (28), 3758-3779 (2013).
- Dong, H., Sun, L. D., Yan, C. H. Energy transfer in lanthanide upconversion studies for extended optical applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1608-1634 (2015).
- Ai, X., et al. In vivo covalent cross-linking of photon-converted rare-earth nanostructures for tumour localization and theranostics. Nat Commun. 7, 10432-10440 (2016).
- Lu, S., et al. Multifunctional Nano-Bioprobes Based on Rattle-Structured Upconverting Luminescent Nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 54 (27), 7915-7919 (2015).
- Bogdan, N., Vetrone, F., Ozin, G. A., Capobianco, J. A. Synthesis of ligand-free colloidally stable water dispersible brightly luminescent lanthanide-doped upconverting nanoparticles. Nano Lett. 11 (2), 835-840 (2011).
- Zheng, W., Huang, P., Tu, D., Ma, E., Zhu, H., Chen, X. Lanthanide-doped upconversion nano-bioprobes: electronic structures, optical properties, and biodetection. Chem Soc Rev. 44 (6), 1379-1415 (2015).
- Chen, X., Peng, D., Ju, Q., Wang, F. Photon upconversion in core-shell nanoparticles. Chem Soc Rev. 44 (6), 1318-1330 (2015).
- Wang, F., Deng, R., Liu, X. Preparation of core-shell NaGdF4 nanoparticles doped with luminescent lanthanide ions to be used as upconversion-based probes. Nat Protoc. 9 (7), 1634-1644 (2014).
- Chen, G., Agren, H., Ohulchanskyy, T. Y., Prasad, P. N. Light upconverting core-shell nanostructures: nanophotonic control for emerging applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1680-1713 (2015).
- Yang, Y., et al. In vitro and in vivo uncaging and bioluminescence imaging by using photocaged upconversion nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 51 (13), 3125-3129 (2012).
- Sedlmeier, A., Gorris, H. H. Surface modification and characterization of photon-upconverting nanoparticles for bioanalytical applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1526-1560 (2015).
- Hu, M., et al. Near infrared light-mediated photoactivation of cytotoxic Re(I) complexes by using lanthanide-doped upconversion nanoparticles. Dalton Trans. 45 (36), 14101-14108 (2016).
- Nagel, G., et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci USA. 100 (24), 13940-13945 (2003).
- Ai, X., et al. Remote Regulation of Membrane Channel Activity by Site-Specific Localization of Lanthanide-Doped Upconversion Nanocrystals. Angew Chem Int Ed. 56 (11), 3031-3035 (2017).
- Xie, R., et al. In vivo metabolic labeling of sialoglycans in the mouse brain by using a liposome-assisted bioorthogonal reporter strategy. Proc Natl Acad Sci USA. 113 (19), 5173-5178 (2016).
- Bansal, A., Zhang, Y. Photocontrolled nanoparticle delivery systems for biomedical applications. Acc Chem Res. 47 (10), 3052-3060 (2014).
- Yang, Y., Aw, J., Xing, B. Nanostructures for NIR light-controlled therapies. Nanoscale. 9 (11), 3698-3718 (2017).
- Ai, X., Mu, J., Xing, B. Recent Advances of Light-Mediated Theranostics. Theranostics. 6 (13), 2439-2457 (2016).
