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

تركيب مجموعات نانوية ذهبية قريبة من الأشعة تحت الحمراء للتطبيقات البيولوجية

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

طريقة موثوقة وسهلة الاستنساخ لإعداد وظيفية، والأشعة تحت الحمراء القريبة تنبعث منها مجموعات نانوية الذهب المنبعث بالضوء والكشف المباشر داخل خلايا هيلا عن طريق تدفق قياس الخلايا والمسح المجهري ليزر بؤري.

Abstract

على مدى العقد الماضي، شهدت مجموعات النانو الذهبية الفلورية (AuNCs) شعبية متزايدة في التطبيقات البيولوجية وكرست جهود هائلة لتطويرها. في هذا البروتوكول، تم وصف طريقة متطورة وسهلة مؤخرًا لإعداد الأونيك القابلة للذوبان في الماء والمتوافقة بيولوجيًا والغروانية القريبة من الأشعة تحت الحمراء الباعثة للأشعة تحت الحمراء. هذا غرفة درجة الحرارة، من أسفل إلى أعلى التركيب الكيميائي يوفر AuNCs وظيفية بسهولة توج مع حمض الثيوتيك والبولي إيثيلين glycol المعدلة ثيول في محلول مائي. النهج الاصطناعية لا يتطلب المذيبات العضوية أو تبادل ليغاند إضافية ولا معرفة واسعة من الكيمياء الاصطناعية للتكاثر. تقدم الـ AuNCs الناتجة أحماض كربوكسيليك سطحية حرة ، والتي يمكن أن تكون وظيفية مع جزيئات بيولوجية مختلفة تحمل مجموعة أمين مجانية دون التأثير سلبًا على خصائص الإضاءة الضوئية للأونيك. كما تم وصف إجراء سريع وموثوق به للقياس الكمي للخلايا المتدفقة والتصوير المجهري المحوري لمن يناب أونك من قبل خلايا HeLa. بسبب التحول ستوكس كبيرة، الإعداد السليم للمرشحات في قياس التدفق الخلوي والمجهر confocal ضروري للكشف الفعال من photoluminescence الأشعة تحت الحمراء القريبة من AuNCs.

Introduction

في العقد الماضي، ظهرت ultrasmall (≤ 2 نانومتر) photoluminescent الذهب nanoclusters (PL AuNCs) كتحقيقات واعدة لكل من البحوث الأساسية والتطبيقات العملية11،2،,3،,44،5،,6،,7،,8،,9،,10. وتشمل خصائصها العديدة المرغوبة ارتفاع عدم الاستقرار الضوئي، وأقصى قدر من الانبعاثات الغيرقابلة، وأعمار الانبعاثات الطويلة، وتحولات ستوكس الكبيرة، والسمية المنخفضة، والتوافق البيولوجي الجيد، وإزالة الكلى، والاقتران الحيوي السهل. يمكن أن توفر الـ PL AuNCs إضاءة ضوئية من الأزرق إلى المنطقة الطيفية القريبة من الأشعة تحت الحمراء (NIR) ، اعتمادًا على عدد الذرات داخل الكتلة11 وطبيعة الليغاند السطحي12. NIR (650-900 نانومتر) AuNCs الباعثة واعدة بشكل خاص لطويلة الأجل في المختبر وفي الجسم الحي تصوير الخلايا والأنسجة، لأنها توفر نسبة عالية إشارة إلى ضوضاء بسبب الحد الأدنى من التداخل مع الفلور الفلورية الجوهرية، وضعف التشتت والامتصاص، واختراق الأنسجة العالية من ضوء NIR13،14.

في السنوات الأخيرة، وقد وضعت النهج المختلفة التي تستفيد من التفاعلات الكوفة Au-S لإعداد NIR-PL AuNCs توج مع مجموعة متنوعة من الليغاند التي تحتوي على ثيول13،15،16،17. بالنسبة للتطبيقات الطبية الحيوية، يجب أن تكون أوانسياب المكونات الفعالة بمكون بيولوجي لتسهيل التفاعلات الملزمة. وهكذا، AuNCs مع استقرار الغرواني العالية التي هي قابلة للوظائف بسهولة في المذيبات المائية هي مرغوب ة للغاية. الهدف العام للبروتوكول الحالي هو وصف إعداد18 من AuNCs المبلغ عنها سابقًا مع مجموعة حمض كاربوكسيليك قابلة للتشغيل على السطح من خلال استخدام حمض الثيوكتيك وجلايكول البولي إيثيلين (PEG) في بيئة مائية بالتفصيل واقترانها مع جزيئات تحمل أمينًا أساسيًا يتبع طريقة اقتران الحمض الأمين. بسبب سهولة التوليف والتكاثر العالي ، يمكن استخدام هذا البروتوكول وتكييفه من قبل باحثين من خلفيات غير كيميائية.

أحد المتطلبات الرئيسية لتطبيقات AuNCs في البحوث الطبية الحيوية هو القدرة على مراقبة وقياس AuNCs داخل الخلايا. من بين الطرق المتاحة لرصد استيعاب الجسيمات النانوية من قبل الخلايا، والتدفق الخلوي (FCM) والمسح المجهري للأشعة المحورية (CLSM) توفر قوية، وطرق عالية الإنتاجية التي تسمح قياسات سريعة من استيعاب المواد النانوية الفلورية في عدد كبير من الخلايا19. هنا ، تم تقديم طريقة FCM و CLSM للقياس والتحليل المباشرين لـ PL AuNCs داخل الخلايا ، دون الحاجة إلى أصباغ إضافية.

Protocol

1. إعداد AuNCs شبه الأشعة تحت الحمراء الباعثة (1) أضف 7.8 ملغ (37.8 ميكرومول) حمض الثيوكتيك (TA) و60 ميكرولتر من 2 M NaOH إلى 23.4 مل من الماء فائق النقاء (المقاومة 18.2 MΟ.cm عند 25 درجة مئوية) وحرك (على الأقل 1000 دورة في الدقيقة) حتى يذوب تمامًا (~ 15-20 دقيقة). لإنحلال أسرع من TA، سونيكات الخليط. للتوليف، ينصح حل TA…

Representative Results

تم إعداد NIR PL AuNCs من Au3+ في وجود TA ، ثم تم ربط PEG (MW 2000) على سطح AuNC للحصول على 1 بعد سير العمل المبين في الشكل 1. قدم اقتران أميديك بين 1 و 3-(أمينوبروبيل) ثلاثي الفينيل فوسفونيوم (TPP) بروميد 2. كما هو متوقع ، أشارت أطياف الامتصاص(الشكل 2a)</stron…

Discussion

تم تصنيع AuNCs الباعثة للنير باستخدام نهج من أسفل إلى أعلى حيث تم التعامل مع محلول السلائف الذهبية (HAuCl4)مع ليغاند اتيول مناسبة ، تليها تخفيض Au3 +. الحد من الأيونات المعدنية في محلول مائي تميل إلى تجميع والنتائج في الجسيمات النانوية الكبيرة بدلا من NCs صغيرة جدا21. لإعداد …

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

المؤلفون ممتنون لAlzbeta Magdolenova لمساعدتها في تدفق قياس الخلايا. ويعترف المؤلفون بالدعم المالي المقدم من مشروع GACR Nr. 18-12533S. وقد أُجري الفحص المجهري في مختبر الكونكورت والتنظير المجهري للفلورسينس الذي شارك في تمويله صندوق التنمية الإقليمية الأوروبي وميزانية الدولة للجمهورية التشيكية، وهي مشاريع رقم 1000.100. CZ.1.05/4.1.00/16.0347 و CZ.2.16/3.1.00/21515، وبدعم من مشروع جمهورية تحرير جمهورية التشيك-BioImaging الكبيرة 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
check_url/pt/60388?article_type=t

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