JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengenharia

Synthese van near-infrared emitting gold nanoclusters voor biologische toepassingen

Published: March 22, 2020
doi:
10.3791/60388
, , , , , ,
1Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the Czech Academy of Sciences, 2Department of Chemical Physics and Optics, Faculty of Mathematics and Physics,Charles University, 3Department of Cell Biology, Faculty of Science,Charles University, 4First Faculty of Medicine,Charles University

Summary

Een betrouwbare en gemakkelijk reproduceerbare methode voor de voorbereiding van functionalizable, nabij-infrarood uitzendende fotoluminescente goudnanoclusters en hun directe detectie in HeLa-cellen door stromingscytometrie en confocale laserscanningmicroscopie wordt beschreven.

Abstract

In de afgelopen tien jaar, fluorescerende goud nanoclusters (AuNCs) zijn getuige van een groeiende populariteit in biologische toepassingen en enorme inspanningen zijn gewijd aan hun ontwikkeling. In dit protocol is een onlangs ontwikkelde, facile methode voor de bereiding van in water oplosbaar, biocompatibel en colloïdaally stabiel nabij-infrarood uitzendende AuNC’s in detail beschreven. Deze kamertemperatuur, bottom-up chemische synthese biedt gemakkelijk functionalizable AuNOCs bedekt met thioctisch zuur en thiol-gemodificeerde polyethyleenglycol in waterige oplossing. De synthetische aanpak vereist noch organische oplosmiddelen of extra ligand uitwisseling, noch uitgebreide kennis van synthetische chemie te reproduceren. De resulterende AuNOCs bieden vrije oppervlakte carboxylic zuren, die kunnen worden gefunctionaliseerd met verschillende biologische moleculen met een vrije amine groep zonder nadelige gevolgen voor de fotoluminescente eigenschappen van de AuNOCs. Een snelle, betrouwbare procedure voor flow cytometrische kwantificering en confocale microscopische beeldvorming van AuNC opname door HeLa cellen ook beschreven. Door de grote Stokes-verschuiving is een goede instelling van filters in stromingscytometrie en confocale microscopie noodzakelijk voor een efficiënte detectie van nabij-infrarood fotoluminescentie van AuNC’s.

Introduction

In de afgelopen tien jaar zijn ultrakleine (≤ 2 nm) fotoluminescente goudnanoclusters (PL AuNC’s) naar voren gekomen als veelbelovende sondes voor zowel fundamenteel onderzoek als praktische toepassingen1,2,33,4,5,,67,8,8,9,10. Hun vele wenselijke kenmerken zijn hoge fotostabiliteit, tunable emissie maxima, lange emissie levensduur, grote Stokes verschuivingen, lage toxiciteit, goede biocompatibiliteit, nierklaring en facile bioconjugatie. PL AuNC’s kunnen fotoluminescentie van het blauwe naar het spectrale gebied (NEAR-infrared (NIR) leveren, afhankelijk van het aantal atomen binnen cluster11 en de aard van het oppervlak ligand12. NIR (650-900 nm) die AuNC’s uitzenden zijn bijzonder veelbelovend voor langdurige in vitro en in vivo beeldvorming van cellen en weefsels, omdat ze een hoge signaal-ruisverhouding bieden als gevolg van minimale overlap met intrinsieke autofluorescentie, zwakkere verstrooiing en absorptie, en hoge weefselpenetratie van NIR-licht13,14.

In de afgelopen jaren zijn verschillende benaderingen ontwikkeld die gebruik maken van covalente interacties van Au-S om NIR-PL AuNC’s voor te bereiden, afgetopt met een verscheidenheid aan thiolbevattende liganden13,15,16,17. Voor biomedische toepassingen moeten AuNC’s worden gefunctionaliseerd met een biologische component om bindende interacties te vergemakkelijken. AuNC’s met een hoge colloïdale stabiliteit die gemakkelijk te functionaliseren zijn in waterig oplosmiddel, zijn dus zeer wenselijk. Het algemene doel van het huidige protocol is om een eerder gerapporteerde18 preparaat van AuNOCs met een functionalizable carboxylic zuurgroep op het oppervlak te beschrijven door thioctisch zuur en polyethyleenglycol (PEG) in een waterige omgeving in detail te gebruiken en hun vervoegingsmoleculen met een primaire amine volgens de zuur-aminekoppelingsmethode. Vanwege het gemak van synthese en hoge reproduceerbaarheid, kan dit protocol worden gebruikt en aangepast door onderzoekers met een niet-chemische achtergrond.

Een van de belangrijkste vereisten voor toepassingen van AuNC’s in biomedisch onderzoek is de mogelijkheid om AuNC’s in cellen te observeren en te meten. Onder de beschikbare methoden om de opname van nanodeeltjes door cellen te monitoren, bieden flow cytometrie (FCM) en confocale laserscanmicroscopie (CLSM) robuuste, hoge doorvoermethoden die snelle metingen van internalisatie van fluorescerende nanomaterialen in een groot aantal cellen mogelijk maken19. Hier zijn ook FCM- en CLSM-methode voor directe meting en analyse van PL AuNC’s in cellen gepresenteerd, zonder dat extra kleurstoffen nodig zijn.

Protocol

1. Voorbereiding van nabij-infrarode emitterende AuNOCs (1) Voeg 7,8 mg (37,8 μmol) thioctisch zuur (TA) en 60 μL van 2 M NaOH toe tot 23,4 mL ultrazuiver water (weerstand 18,2 MΩ.cm bij 25 °C) en roer (ten minste 1.000 tpm) tot het volledig oplost (~15-20 min). Voor een snellere ontbinding van TA, sonicate het mengsel. Voor de synthese wordt een vers bereide TA-oplossing aanbevolen. Voeg 10,2 μL HAuCl4·3H2O (470 mg/mL) waterige oplossing toe aan de oplossing. Voe…

Representative Results

NIR PL AuNCs werden bereid van Au3+ in aanwezigheid van TA, en vervolgens thiol-beëindigd PEG (MW 2.000) was gebonden op het AuNC-oppervlak om 1 te verkrijgen volgens de workflow in figuur 1. Amidic koppeling tussen 1 en 3-(aminopropyl) triphenylfosphonium (TPP) bromide verstrekt 2. Zoals verwacht gaven absorptiespectra (figuur 2a)aan dat AuNOCs 1 en 2 geen karakteri…

Discussion

NIR-emitterende AuNO’s werden gesynthetiseerd met behulp van een bottom-up benadering waarbij de goudprecursoroplossing (HAuCl4)werd behandeld met geschikte thiolliganden, gevolgd door reductie van Au3+. Vermindering van metaalionen in waterige oplossing hebben de neiging om te aggregeren en resulteert in grote nanodeeltjes in plaats van ultrakleine NC’s21. Om ultrakleine PL AuNCs (≤2 nm) voor te bereiden, werden de synthetische omstandigheden aangepast om de vorming van gr…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs zijn Alzbeta Magdolenova dankbaar voor haar hulp bij flow cytometrie. De auteurs erkennen de financiële steun van GACR project Nr. 18-12533S. Microscopie werd uitgevoerd in het Laboratorium voor Confocale en Fluorescentie Microscopie mede gefinancierd door het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling en de staatsbegroting van de Tsjechische Republiek, projecten nr. CZ.1.05/4.1.00/16.0347 en CZ.2.16/3.1.00/21515, ondersteund door het Tsjechisch-BioImaging grote RI-project LM2015062.

Materials

1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride TCI Chemicals D1601 https://www.tcichemicals.com/eshop/en/eu/commodity/D1601/;jsessionid=3AD046E5389206AAE33C8AAB5036CDD6?gclid=CjwKCAjwiZnnBRBQEiwAcWKfYrO69K6Np3tYeSsAouqGndUvzzsy1hStBPuHG-X3cpTIsAqq9z0cDBoC76MQAvD_BwE
Bovine serum albumin Sigma-Aldrich A4161 https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a4161?lang=en&region=CZ
Disodium hydrogen phosphate dihydrate PENTA s.r.o. 15130-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_281.pdf
DL-Thioctic acid, 98% Alfa Aesar L04711 https://www.alfa.com/en/catalog/L04711/
Hydrochloric acid 35% PENTA s.r.o. 19350-11000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_512.pdf
Hydrogen tetrachloroaurate(III) trihydrate, ACS, 99.99% (metals basis), Au 49.0% min Alfa Aesar 36400 https://www.alfa.com/en/catalog/036400/
O-(2-Mercaptoethyl)-O′-methylpolyethylene glycol 2000 Sigma-Aldrich 743127 https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/743127?lang=en&region=CZ
Potassium chloride PENTA s.r.o. 16200-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_346.pdf
Sodium borohydride Sigma-Aldrich 452882 https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/452882?lang=en&region=CZ&gclid=CjwKCAjwiZnnBRBQEiwAcWKfYuoZKvdK_fH24F1gGugG4pamF2FFZLd36YyZmRTdGgkbm5SbyGP0jBoCoo0QAvD_BwE
Sodium chloride PENTA s.r.o. 16610-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_376.pdf
Sodium dihydrogenphosphate dihydrate PENTA s.r.o. 12330-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_124.pdf
Sodium hydroxide pellets PENTA s.r.o. 15740-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_307.pdf
XTT (sodium 2, 3-bis (2-methoxy-4-nitro-5-sulfophenyl)-5-[(phenylamino)-carbonyl]-2H-tetrazolium inner salt) Thermo Fisher Scientific X12223 https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/X12223#/X12223
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Wang, Y., Chen, J., Irudayaraj, J. Nuclear Targeting Dynamics of Gold Nanoclusters for Enhanced Therapy of HER2+ Breast Cancer. ACS Nano. 5 (12), 9718-9725 (2011).
  2. Chen, L. Y., Wang, C. W., Yuan, Z., Chang, H. T. Fluorescent Gold Nanoclusters: Recent Advances in Sensing and Imaging. Analytical Chemistry. 87 (1), 216-229 (2015).
  3. Dongyun, C., Zhentao, L., Li, N., Lee, J. Y., Xie, J., Lu, J. Jianmei Amphiphilic Polymeric Nanocarriers with Luminescent Gold Nanoclusters for Concurrent Bioimaging and Controlled Drug Release. Advanced Functional Materials. 23 (35), 4324-4331 (2013).
  4. Tan, X., Jin, R. Ultrasmall metal nanoclusters for bio-related applications. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 5 (6), 569-581 (2013).
  5. Yuan, X., Luo, Z., Yu, Y., Yao, Q., Xie, J. Luminescent Noble Metal Nanoclusters as an Emerging Optical Probe for Sensor Development. Chemistry – An Asian Journal. 8 (5), 858-871 (2013).
  6. Zheng, K., Setyawati, M. I., Leong, D. T., Xie, J. Antimicrobial Gold Nanoclusters. ACS Nano. 11 (7), 6904-6910 (2017).
  7. Li, Q., et al. Design and mechanistic study of a novel gold nanocluster-based drug delivery system. Nanoscale. 10 (21), 10166-10172 (2018).
  8. Zhang, X. D., et al. Ultrasmall Au10-12(SG)10-12 Nanomolecules for High Tumor Specificity and Cancer Radiotherapy. Advanced Materials. 26 (26), 4565-4568 (2014).
  9. Zhang, X. D., et al. Ultrasmall Glutathione-Protected Gold Nanoclusters as Next Generation Radiotherapy Sensitizers with High Tumor Uptake and High Renal Clearance. Scientific Reports. 5, 8669 (2015).
  10. Zhang, X. D., et al. Enhanced Tumor Accumulation of Sub-2 nm Gold Nanoclusters for Cancer Radiation Therapy. Advanced Healthcare Materials. 3 (1), 133-141 (2014).
  11. Zheng, J., Zhang, C., Dickson, R. M. Highly Fluorescent, Water-Soluble, Size-Tunable Gold Quantum Dots. Physical Review Letters. 93 (7), 077402 (2004).
  12. Wu, Z., Jin, R. On the Ligand’s Role in the Fluorescence of Gold Nanoclusters. Nano Letters. 10 (7), 2568-2573 (2010).
  13. Lin, C. A. J., et al. Synthesis, Characterization, and Bioconjugation of Fluorescent Gold Nanoclusters toward Biological Labeling Applications. ACS Nano. 3 (2), 395-401 (2009).
  14. Yang, L., Shang, L., Nienhaus, G. U. Mechanistic aspects of fluorescent gold nanocluster internalization by live HeLa cells. Nanoscale. 5 (4), 1537-1543 (2013).
  15. Mishra, D., et al. Aqueous Growth of Gold Clusters with Tunable Fluorescence Using Photochemically Modified Lipoic Acid-Based Ligands. Langmuir. 32 (25), 6445-6458 (2016).
  16. Wu, Z., Gayathri, C., Gil, R. R., Jin, R. Probing the Structure and Charge State of Glutathione-Capped Au25(SG)18 Clusters by NMR and Mass Spectrometry. Journal of the American Chemical Society. 131 (18), 6535-6542 (2009).
  17. Stamplecoskie, K. G., Kamat, P. V. Size-Dependent Excited State Behavior of Glutathione-Capped Gold Clusters and Their Light-Harvesting Capacity. Journal of the American Chemical Society. 136 (31), 11093-11099 (2014).
  18. Pramanik, G., et al. Gold nanoclusters with bright near-infrared photoluminescence. Nanoscale. 10 (8), 3792-3798 (2018).
  19. Salvati, A., et al. Quantitative measurement of nanoparticle uptake by flow cytometry illustrated by an interlaboratory comparison of the uptake of labelled polystyrene nanoparticles. NanoImpact. 9, 42-50 (2018).
  20. Zhang, C. J., et al. Mechanism-Guided Design and Synthesis of a Mitochondria-Targeting Artemisinin Analogue with Enhanced Anticancer Activity. Angewandte Chemie. 128 (44), 13974-13978 (2016).
  21. Shang, L., Dong, S., Nienhaus, G. U. Ultra-small fluorescent metal nanoclusters: Synthesis and biological applications. Nano Today. 6 (4), 401-418 (2011).
  22. Higaki, T., et al. Controlling the Atomic Structure of Au30 Nanoclusters by a Ligand-Based Strategy. Angewandte Chemie International Edition. 55 (23), 6694-6697 (2016).
  23. Li, G., et al. Tailoring the Electronic and Catalytic Properties of Au25 Nanoclusters via Ligand Engineering. ACS Nano. 10 (8), 7998-8005 (2016).
  24. Kim, A., Zeng, C., Zhou, M., Jin, R. Surface Engineering of Au36(SR)24 Nanoclusters for Photoluminescence Enhancement. Particle & Particle Systems Characterization. 34 (8), 1600388 (2017).
  25. Chevrier, D. M., et al. Molecular-Scale Ligand Effects in Small Gold–Thiolate Nanoclusters. Journal of the American Chemical Society. 140 (45), 15430-15436 (2018).
  26. Yuan, X., Goswami, N., Chen, W., Yao, Q., Xie, J. Insights into the effect of surface ligands on the optical properties of thiolated Au25 nanoclusters. Chemical Communications. 52 (30), 5234-5237 (2016).
  27. Yuan, X., Goswami, N., Mathews, I., Yu, Y., Xie, J. Enhancing stability through ligand-shell engineering: A case study with Au25(SR)18 nanoclusters. Nano Research. 8 (11), 3488-3495 (2015).
  28. Jiang, J., et al. Oxidation at the Core-Ligand Interface of Au Lipoic Acid Nanoclusters That Enhances the Near-IR Luminescence. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (35), 20680-20687 (2014).
  29. Padelford, J. W., Wang, T., Wang, G. Enabling Better Electrochemical Activity Studies of H2O-Soluble Au Clusters by Phase Transfer and a Case Study of Lipoic-Acid-Stabilized Au22. ChemElectroChem. 3 (8), 1201-1205 (2016).
  30. Wang, T., Wang, D., Padelford, J. W., Jiang, J., Wang, G. Near-Infrared Electrogenerated Chemiluminescence from Aqueous Soluble Lipoic Acid Au Nanoclusters. Journal of the American Chemical Society. 138 (20), 6380-6383 (2016).
  31. Aldeek, F., Muhammed, M. A. H., Palui, G., Zhan, N., Mattoussi, H. Growth of Highly Fluorescent Polyethylene Glycol- and Zwitterion-Functionalized Gold Nanoclusters. ACS Nano. 7 (3), 2509-2521 (2013).
  32. Oh, E., Susumu, K., Goswami, R., Mattoussi, H. One-Phase Synthesis of Water-Soluble Gold Nanoparticles with Control over Size and Surface Functionalities. Langmuir. 26 (10), 7604-7613 (2010).
  33. Nair, L. V., Nazeer, S. S., Jayasree, R. S., Ajayaghosh, A. Fluorescence Imaging Assisted Photodynamic Therapy Using Photosensitizer-Linked Gold Quantum Clusters. ACS Nano. 9 (6), 5825-5832 (2015).
  34. Porret, E., et al. Hydrophobicity of Gold Nanoclusters Influences Their Interactions with Biological Barriers. Chemistry of Materials. 29 (17), 7497-7506 (2017).
  35. Shang, L., et al. One-Pot Synthesis of Near-Infrared Fluorescent Gold Clusters for Cellular Fluorescence Lifetime Imaging. Small. 7 (18), 2614-2620 (2011).
  36. Wu, M., et al. Solution NMR Analysis of Ligand Environment in Quaternary Ammonium-Terminated Self-Assembled Monolayers on Gold Nanoparticles: The Effect of Surface Curvature and Ligand Structure. Journal of the American Chemical Society. 141 (10), 4316-4327 (2019).
  37. Gao, X., Cui, Y., Levenson, R. M., Chung, L. W. K., Nie, S. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots. Nature Biotechnology. 22 (8), 969-976 (2004).
  38. Bartczak, D., Kanaras, A. G. Preparation of Peptide-Functionalized Gold Nanoparticles Using One Pot EDC/Sulfo-NHS Coupling. Langmuir. 27 (16), 10119-10123 (2011).
  39. Dutta, D., Sailapu, S. K., Chattopadhyay, A., Ghosh, S. S. Phenylboronic Acid Templated Gold Nanoclusters for Mucin Detection Using a Smartphone-Based Device and Targeted Cancer Cell Theranostics. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (4), 3210-3218 (2018).
  40. Retnakumari, A., et al. CD33 monoclonal antibody conjugated Au cluster nano-bioprobe for targeted flow-cytometric detection of acute myeloid leukaemia. Nanotechnology. 22 (28), 285102 (2011).
  41. Pyo, K., et al. Highly Luminescent Folate-Functionalized Au22 Nanoclusters for Bioimaging. Advanced Healthcare Materials. 6 (16), 1700203 (2017).
  42. Fernández, T. D., et al. Intracellular accumulation and immunological properties of fluorescent gold nanoclusters in human dendritic cells. Biomaterials. 43, 1-12 (2015).

Tags

Gold NanoclustersNear-infrared EmittingPhotoluminescentThiol-functionalized LigandAmine-functionalized LigandBiosensingBio-imagingUltrafiltrationPolyethylene GlycolEDC HCLCell Culture

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Pramanik, G., Keprova, A., Valenta, J., Bocan, V., Kvaková, K., Libusova, L., Cigler, P. Synthesis of Near-Infrared Emitting Gold Nanoclusters for Biological Applications. J. Vis. Exp. (157), e60388, doi:10.3791/60388 (2020).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image