सेलुलर अनुप्रयोगों के लिए कोर-शैल Lanthanide-मैगनीज रूपांतरण Nanocrystals का संश्लेषण
Summary
एक प्रोटोकॉल कोर के संश्लेषण के लिए प्रस्तुत किया जाता है-शैल lanthanide-मैगनीज रूपांतरण nanocrystals (UCNs) और उनके पास-अवरक्त (NIR) प्रकाश रोशनी पर चैनल प्रोटीन विनियमन के लिए सेलुलर आवेदन ।
Abstract
Lanthanide-मैगनीज रूपांतरण nanocrystals (UCNs) हाल के वर्षों में उनके होनहार और नियंत्रणीय ऑप्टिकल गुण है, जो पास के अवशोषण के लिए अनुमति के आधार पर ज्यादा ध्यान आकर्षित किया है अवरक्त (NIR) प्रकाश और बाद में इसे बदल सकते है मल्टीप्लेक्स उत्सर्जन कि NIR को दिखाई यूवी से क्षेत्रों की एक व्यापक रेंज पर अवधि । यह आलेख उच्च-तापमान सह-वर्षा संश्लेषण कोर-शेल UCNs के लिए विस्तृत प्रायोगिक कार्यविधियां प्रस्तुत करता है जो nanocrystals में विभिन्न lanthanide आयनों को कुशलता से परिवर्तित करने के लिए शामिल है डीप-टिशू penetrable NIR उत्तेजना (८०८ एनएम) ४८० एनएम में एक मजबूत नीले उत्सर्जन में । (polyacrylic एसिड, पा), के रूप में तैयार UCNs बफर समाधान में महान घुलनशीलता का अधिग्रहण के साथ संगत बहुलक सतह संशोधन को नियंत्रित करने से । हाइड्रोफिलिक nanocrystals आगे कोशिका झिल्ली पर स्थानीयकरण के लिए विशिष्ट लाइगैंडों (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) के साथ कार्यात्मक रहे हैं । NIR प्रकाश (८०८ एनएम) विकिरण पर, कंवर्ट नीले उत्सर्जन को प्रभावी ढंग से सेल झिल्ली पर प्रकाश gated चैनल प्रोटीन को सक्रिय करने और विशेष रूप से कटियन (जैसे, Ca2 +) कोशिका में आमद को विनियमित कर सकते हैं । इस प्रोटोकॉल के संश्लेषण के लिए एक व्यवहार्य पद्धति प्रदान करता है कोर-शैल lanthanide-मैगनीज UCNs और आगे सेलुलर अनुप्रयोगों के लिए बाद में संगत सतह संशोधन.
Introduction
हाल के वर्षों में, lanthanide-मैगनीज रूपांतरण nanocrystals (UCNs) व्यापक रूप से जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों, जो मुख्य रूप से उनके बकाया रासायनिक और ऑप्टिकल संपत्तियों पर आधारित है में पारंपरिक कार्बनिक रंजक और क्वांटम डॉट्स के लिए एक विकल्प के रूप में इस्तेमाल किया गया है, महान photobleaching, और संकीर्ण बैंडविड्थ उत्सर्जन1,2,3के लिए प्रतिरोध, उच्च संगतता सहित । इससे भी महत्वपूर्ण बात, वे vivo में उत्कृष्ट ऊतक पैठ गहराई के साथ एक होनहार nanotransducer के रूप में सेवा कर सकते है के पास-अवरक्त (NIR) उत्सर्जन की एक व्यापक रेंज में उत्तेजना से यूवी, दिखाई, और एक बहु के माध्यम से NIR क्षेत्रों में परिवर्तित फोटॉन धर्मांतरण प्रक्रिया४,५. इन अद्वितीय गुणों lanthanide-मैगनीज UCNs जैविक संवेदन, जैव चिकित्सा इमेजिंग, और रोगों theranostics6,7,8के लिए एक विशेष रूप से होनहार वेक्टर के रूप में सेवा करते हैं ।
UCNs के सामांय घटकों को मुख्य रूप से अछूता मेजबान मैट्रिक्स में मैगनीज lanthanide आयनों पर आधारित है जिसमें एक संवेदी (उदा., Yb3 +, एन डी3 +) और एक उत्प्रेरक (उदा, टीएम3 +, एर3 +, हो 3 +) क्रिस्टल के भीतर homogeneously9। nanocrystals से अलग ऑप्टिकल उत्सर्जन lanthanide dopants के 4एफ orbitals के भीतर स्थानीयकृत इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण के लिए जिंमेदार ठहराया है उनकी सीढ़ी की तरह ऊर्जा स्तर की व्यवस्था10के कारण । इसलिए, यह ठीक आकार और multicomponent lanthanide dopants के साथ संश्लेषित UCNs के आकृति विज्ञान को नियंत्रित करने के लिए महत्वपूर्ण है । सही द्वारा, कुछ आशाजनक तरीके lanthanide-मैगनीज UCNs की तैयारी के लिए अच्छी तरह से स्थापित किया गया है, थर्मल अपघटन सहित, उच्च तापमान सह वर्षा, जलतापीय संश्लेषण, सोल-जेल प्रसंस्करण, आदि11 , 12 , 13 इन दृष्टिकोण के अलावा, उच्च तापमान सह वर्षा विधि UCNs संश्लेषण के लिए सबसे लोकप्रिय और सुविधाजनक रणनीतियों में से एक है, जो सख्ती से वर्दी आकार के साथ वांछित उच्च गुणवत्ता nanocrystals तैयार करने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है और एक अपेक्षाकृत कम प्रतिक्रिया समय और कम लागत में14वितरण आकार । हालांकि, सबसे nanostructures इस विधि द्वारा संश्लेषित मुख्य रूप से ओलिक एसिड और oleylamine, जो आम तौर पर उनके आगे के लिए जलीय समाधान में hydrophobic ligand घुलनशीलता के सीमित कारण आवेदन बाधा के रूप में hydrophobic लाइगैंडों के साथ छाया हुआ है 15. इसलिए, यह उपयुक्त सतह संशोधन तकनीक करने के लिए इन विट्रो और vivo मेंजैविक अनुप्रयोगों में जैव संगत UCNs तैयार करने के लिए आवश्यक है ।
इस के साथ साथ, हम उच्च तापमान सह-वर्षा विधि के माध्यम से कोर-शैल UCNs nanostructures के संश्लेषण के लिए विस्तृत प्रयोगात्मक प्रक्रिया वर्तमान और functionalize के लिए UCNs सतह पर संगत बहुलक करने के लिए एक व्यवहार्य संशोधन तकनीक इसके अलावा सेलुलर अनुप्रयोगों । इस UCNs nanoplatform तीन lanthanide आयनों (Yb3 +, एन डी3 +, और Tm3 +) को शामिल किया गया nanocrystals में मजबूत नीले उत्सर्जन (~ ४८० एनएम) पर NIR लाइट उत्तेजना पर प्राप्त करने के लिए ८०८ एनएम है, जो में अधिक से अधिक पैठ गहराई है ऊतक रहते हैं । यह सर्वविदित है कि Nd3 +मैगनीज UCNs प्रदर्शन पानी के अवशोषण और इस वर्णक्रमीय खिड़की (८०८ एनएम) के रूप में ९८० एनएम विकिरण16,17पर पारंपरिक UCNs की तुलना में overheating प्रभाव कम से, 18. इसके अलावा, जैविक प्रणालियों में UCNs का उपयोग करने के लिए, UCNs की सतह पर hydrophobic लाइगैंडों (ओलिक एसिड) सबसे पहले एसिड समाधान19में sonication द्वारा निकाले जाते हैं । फिर ligand-मुक्त UCNs आगे एक सुसंगत बहुलक के साथ संशोधित कर रहे है (polyacrylic एसिड, पा) जलीय समाधान में महान घुलनशीलता प्राप्त करने के लिए20। इसके अलावा, सेलुलर अनुप्रयोगों में एक सबूत की अवधारणा के रूप में, हाइड्रोफिलिक UCNs आगे एन3पर विशिष्ट स्थानीयकरण के लिए आणविक लाइगैंडों (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) के साथ कार्यात्मक रहे हैं-सेल झिल्ली टैग की गईं । NIR प्रकाश (८०८ एनएम) विकिरण पर, ४८० एनएम में परिवर्तित नीले उत्सर्जन को प्रभावी ढंग से एक प्रकाश gated चैनल प्रोटीन, channelrhodopsins-2 (ChR2), सेल सतह पर सक्रिय कर सकते है और इस प्रकार की सुविधा कटियन (जैसे, Ca2 + आयन) आमद जीवित कोशिकाओं की झिल्ली के पार ।
इस वीडियो प्रोटोकॉल lanthanide-मैगनीज UCNs संश्लेषण, के लिए एक व्यवहार्य पद्धति प्रदान करता है, असंगत सतह संशोधन, और UCNs कोशिकाओं में रहने वाले अनुप्रयोगों । संश्लेषण की तकनीक में कोई अंतर और nanocrystal वृद्धि में इस्तेमाल रासायनिक एजेंट आकार वितरण, आकृति विज्ञान, और रूपांतरण luminescence (UCL) स्पेक्ट्रा सेल प्रयोगों में इस्तेमाल किया अंतिम UCNs nanostructures के प्रभाव होगा. इस विस्तृत वीडियो प्रोटोकॉल के लिए इस क्षेत्र में नए शोधकर्ताओं मदद करने के लिए उच्च तापमान सह वर्षा विधि के साथ UCNs के reproducibility में सुधार और आगे के लिए UCNs के लिए संगत सतह संशोधन में सबसे आम गलतियों से बचने के लिए तैयार है सेलुलर अनुप्रयोगों ।
Protocol
सावधानी: कृपया उपयोग करने से पहले सभी प्रासंगिक सामग्री सुरक्षा डाटा शीट (MSDS) देखें । एक उच्च तापमान पर UCNs के संश्लेषण प्रदर्शन करते समय सभी उचित सुरक्षा प्रथाओं का उपयोग करें (~ २९० & #176; C), इंजीनियरिंग नि?…
Representative Results
Discussion
यह लेख कोर-शैल lanthanide-मैगनीज nanocrystals (UCNs) और सेलुलर अनुप्रयोगों के लिए कार्यात्मक moieties के साथ उनके सतह संशोधन के संश्लेषण के लिए एक विधि प्रस्तुत किया है । इस उपंयास nanomaterial बकाया ऑप्टिकल गुण है, जो एक बहु फोटॉन रूप?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम आंशिक रूप से NTU-AIT-एमयूवी NAM/16001, RG110/16 (ओं), (आरजी 11/13) और (आरजी 35/15) नानयांग तकनीकी विश्वविद्यालय, सिंगापुर और राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन ऑफ चाइना (NSFC) (सं. ५१६२८२०१) में संमानित किया गया ।
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).
