Syntese af kerne-shell Lanthanide-doped Upconversion nanokrystaller for cellulære applikationer
Summary
En protokol, der er præsenteret for syntesen af kerne-shell lanthanide-doped upconversion nanokrystaller (UCNs) og deres cellulære ansøgninger om kanal protein forordning efter nær-infrarødt (NIR) lys belysning.
Abstract
Lanthanide-doped upconversion nanokrystaller (UCNs) har tiltrukket stor opmærksomhed i de seneste år baseret på deres lovende og kontrollerbar optiske egenskaber, som giver mulighed for absorption af nær-infrarødt (NIR) lys og kan derefter konvertere det til multipleksede emissioner, der spænder over en bred vifte af områder fra UV til den synlige for NIR. Denne artikel præsenterer detaljerede eksperimentelle procedurer for høj temperatur udfældes sammen syntese af kerne-shell UCNs at inkorporere forskellige lanthanide ioner i nanokrystaller til effektivt konvertering dybe væv gennemtrængelige NIR excitation (808 nm) ind i en stærk blå emission på 480 nm. Ved at kontrollere den overflade modifikation med biokompatible polymer (polyacrylic syre, PAA), som forberedte UCNs erhverver stor Opløselighed i buffer løsninger. De hydrofile nanokrystaller er yderligere functionalized med specifikke ligander (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) for lokalisering på cellemembranen. Ved NIR lys (808 nm) bestråling, upconverted blå emission kan effektivt aktivere lys-gated kanal protein på cellemembranen og specifikt regulerer kation (fx, Ca2 +) tilstrømning i cytoplasmaet. Denne protokol giver en realistisk metode til syntese af kerne-shell lanthanide-doped UCNs og efterfølgende biokompatible overflade modifikation for yderligere cellulære applikationer.
Introduction
I de seneste år, har været udbredt lanthanide-doped upconversion nanokrystaller (UCNs) som et alternativ til konventionelle organiske farvestoffer og quantum dots i biomedicinsk applikationer, som hovedsagelig er baseret på deres fremragende kemiske og optiske egenskaber, herunder stor biokompatibilitet, høj modstandsdygtighed overfor photobleaching og smal båndbredde emission1,2,3. Endnu vigtigere, kan de tjene som et lovende nanotransducer med fremragende væv penetration dybde i vivo konvertere nær-infrarødt (NIR) excitation i en bred vifte af emissioner fra Ultraviolette, synlige, og regionerne NIR gennem en multi photon upconversion proces4,5. Disse unikke egenskaber gør lanthanide-doped UCNs tjene som et særligt lovende vektor for biologiske sensing, Biomedicinsk imaging og sygdomme theranostics6,7,8.
De generelle komponenter af UCNs er hovedsagelig baseret på doteret lanthanide ioner i matrixen isolerende vært indeholdende en sensibilisator (fx, Yb3 +, Nd3 +) og en aktivator (fx, Tm3 +, Er3 +, Ho EUR 3 +) inden for krystal administrationsprocedurerne9. De forskellige optiske emission fra nanokrystaller tilskrives den lokaliserede elektronisk overgang inden for de 4f orbitaler af lanthanide energiniveauerne på grund af deres stigen-lignende arrangeret energi niveau10. Derfor er det kritisk at netop kontrol størrelse og morfologi af syntetiserede UCNs med stand lanthanide energiniveauerne. Af retten, har været veletablerede nogle lovende metoder til fremstilling af lanthanide-doped UCNs, herunder termisk nedbrydning, høj temperatur Co nedbør, hydrotermiske syntese, sol-gel behandling, etc.11 , 12 , 13 blandt disse tilgange, høj temperatur udfældes sammen metode er en af de mest populære og nem strategier for UCNs syntese, som kan kontrolleres strengt for at forberede ønskede høj kvalitet nanokrystaller med ensartet form og størrelse distribution i en forholdsvis kort reaktionstid og lavpris-14. Men de fleste nanostrukturer syntetiseret af denne metode er hovedsagelig loft med hydrofobe ligander som oliesyre og oleylamine, der normalt hindrer deres yderligere bioapplication på grund af begrænsede af hydrofobe ligand Opløselighed i vandig opløsning 15. Derfor er det nødvendigt at foretage passende overflade modifikation for at forberede biokompatible UCNs i biologiske applikationer in vitro og i vivo.
Heri, præsenterer vi en detaljeret eksperimentel procedure for syntese af kerne-shell UCNs nanostrukturer gennem høj temperatur udfældes sammen metode og en mulig ændring teknik til functionalize biokompatible polymer på UCNs overflade for yderligere trådløse applikationer. Denne UCNs nanoplatform indarbejdet nanokrystaller at erhverve stærk blå emission tre lanthanide ioner (Yb3 +, Nd3 +, og Tm3 +) (~ 480 nm) ved NIR lys excitation på 808 nm, som har større indtrængningsdybde i levende væv. Det er velkendt at Nd3 +-doteret UCNs vises minimeret vand absorption og overophedning effekter på dette spektrale vindue (808 nm) i forhold til konventionelle UCNs på 980 nm bestråling16,17, 18. Desuden, for at udnytte UCNs i biologiske systemer, de hydrofobe ligander (oliesyre) på overfladen af UCNs er for det første fjernes ved hjælp af sonikering i syreopløsning19. Derefter modificeres de ligand-fri UCNs yderligere med et biokompatibelt polymer (polyacrylic syre, PAA) at erhverve stor Opløselighed i vandige opløsninger20. Desuden, som en proof-of-concept i cellulære applikationer, de hydrofile UCNs yderligere functionalized med molekylær ligander (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) for specifikke lokalisering på N3-markeret celle membran. Ved NIR lys (808 nm) bestråling, upconverted blå emission på 480 nm kan effektivt aktivere et lys-gated kanal protein, channelrhodopsins-2 (ChR2), på cellens overflade og dermed lette kation (fx, Ca2 + -ion) tilstrømning gennem en membran af levende celler.
Denne video protokol indeholder en realistisk metode til lanthanide-doped UCNs syntese, biokompatible overflade ændring og UCNs bioapplication i levende celler. Eventuelle forskelle i syntese teknikker og kemiske reagenser, der anvendes i nanocrystal vækst vil påvirke de størrelse distribution, morfologi og upconversion luminescens (UCL) spektre af endelige UCNs nanostrukturer celle forsøgsdyr. Denne detaljerede video protokol er parat til at hjælpe nye forskere på dette område at forbedre UCNs reproducerbarhed med metoden høj temperatur udfældes sammen og undgå de mest almindelige fejl i UCNs biokompatible overflade modifikation for yderligere cellulære applikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikel har præsenteret en metode for syntesen af kerne-shell lanthanide-doped upconversion nanokrystaller (UCNs) og deres overflade modifikation med funktionelle fraspaltning for cellulære applikationer. Denne roman nanomateriale besidder enestående optiske egenskaber, som kan udsende UV og synligt lys ved NIR lys excitation gennem en multi photon upconversion proces. I denne protokol, core-shell UCNs nanostrukturer (NaYF4: Tm-Yb-Nd (30/0.5/1%)@NaYF4: Nd (20 %)) er udarbejdet af en høj te…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev delvist støttet af NTU-AIT-MUV NAM/16001, RG110/16 (S), (RG 11/13) og (RG 35/15) tildelt i Nanyang Technological University, Singapore og National Natural Science Foundation i Kina (NSFC) (nr. 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).
