Подготовка и Фотоакустическая Анализ клеточных транспортных средств, содержащих Gold наностержней
Summary
We show the preparation and address the feasibility of cellular vehicles containing gold nanorods for the photoacoustic imaging of cancer.
Abstract
Золотые наностержни являются привлекательными для ряда биомедицинских применений, таких как фототермической абляции и фотоакустическом визуализации рака, благодаря их интенсивного оптического поглощения в ближней инфракрасной области окна, низкий уровень цитотоксичности и потенциал дома в опухоли. Тем не менее, их доставки к опухоли по-прежнему остается проблемой. Инновационный подход состоит из эксплуатации тропности опухолеассоциированными макрофагов , которые могут быть загружены с золотыми наностержней в пробирке. Здесь мы опишем подготовку и Фотоакустический осмотр транспортных средств, содержащих клеточных золотых наностержней. ПЭГилированные золотые наностержни, модифицированные соединения четвертичного аммония, с целью достижения профиля катионной. При контакте с мышиными макрофагами в обычных чашках Петри, эти частицы оказываются претерпевают массовое потребление в эндоцитических везикул. Затем эти клетки встраиваются в биополимерных гидрогелей, которые используются для проверки того, что стабильность фотоакустическом преобразованиячастиц сохраняется в их включения в клеточные транспортные средства. Мы уверены в том, что эти результаты могут обеспечить новое вдохновение для разработки новых стратегий для доставки плазмонных частиц к опухолям.
Introduction
За последнее десятилетие различные плазмонных частицы , такие как золото наностержней, нанооболочек и наноклеток, получили большое внимание для применения в биомедицинской оптики 1, 2, 3, 4. В противоречии со стандартными золотыми наносферы, эти новые частицы резонируют в окне ближней инфракрасной области спектра (NIR) , которая обеспечивает глубокой оптического проникновения через тело и самого высокого оптического контраста над эндогенными компонентами 1. Эта особенность вызвала интерес к инновационных приложений, таких как фотоакустическом (ПА) и в производстве фототермическому абляции рака. Тем не менее, ряд вопросов, сдерживать клиническое проникновение этих частиц. Например, их оптическая активация имеет тенденцию вызывать их перегрев и модифицировать их функциональные формы в сторону более сферических профилей, которые приводит в действие photoinstability 5, 6, 7, 8 </SUP>, 9. Другой вопрос, который доминирует в научной дискуссии является их системная доставка в опухоли. В частности, золотые наностержни комбинировать размеры, которые идеально подходят для пронизывают опухолей, которые показывают повышенную проницаемость и удерживание и легкость сопряжения с специфическими зондами злокачественных маркеров. Таким образом, их подготовка к прямой инъекции в кровоток воспринимается как осуществимый схеме 10, 11, 12, 13. Тем не менее, этот маршрут остается проблематичным, причем большая часть частиц становится охваченными системой мононуклеарных фагоцитов 10, 11, 12. Кроме того, еще одна проблема заключается в оптический и биохимический стабильность частиц после циркуляции через корпус 14. Когда частицы теряют коллоидной стабильности и заполнитель, их плазмонных особенности и динамика теплопередачи может пострадать от плазмонного муфты 15, </sдо> 16, 17 и поперечного перегрева 18.
Совсем недавно, понятие эксплуатировать тропизм опухолеассоциированными макрофагов возникла как альтернатива смарт – 19, 20, 21. Эти клетки держать врожденную способность обнаруживать и пронизывают опухолей с высокой специфичностью. Таким образом, одна перспектива может быть , чтобы изолировать эти клетки от пациента, загружать их с золотыми наностержней в пробирке , а затем вводят их обратно в организм пациента, с намерением использовать их в качестве клеточных транспортных средств, отвечающих за доставку. Еще одним преимуществом было бы получить больше контроля над оптической и биохимической стабильности частиц, так как их биологический интерфейс будет построен в пробирке. Тем не менее, характеристики этих клеточных транспортных средств в качестве оптических контрастных агентов необходим критический анализ.
В этой работе мы описываем подготовку и критические вопросы cellulА.Р. транспортных средств, содержащих золотые наностержни для визуализации ПА рака. ПЭГилированные золотые наностержни , модифицированные соединения четвертичного аммония 22, с тем чтобы добиться катионный профиль , который , как ожидается, способствовать их взаимодействия с плазматических мембран 23, 24. Эти частицы подвергаются эффективной и неспецифическое поглощение от большинства клеточных типов, мы надеемся, не мешая много с их биологическими функциями. Мышиные макрофаги загружены до целых 200, 000 катионных золотых наностержней на клетку, которые становятся заключены в плотных эндоцитических везикул. Эта конфигурация должна возникнуть беспокойство, из-за угрозы плазмонного сцепления и перекрестного перегрева внутри этих пузырьков. Таким образом, макрофаги встроены в биополимерных гидрогелей, которые имитируют биологических тканей, для того, чтобы убедиться, что большинство стабильности преобразования PA частиц сохраняется при переходе от ростовой среды к эндоцитических везикул. EffectivКритерии оценки электронной разработаны для того, чтобы измерить стабильность преобразования ПА в условиях непосредственный интерес для работы с изображениями PA. Перепрофилирования порог устанавливается в самом начале оптической нестабильности после череды 50 лазерных импульсов с типичной частотой повторения 10 Гц.
Мы уверены в том, что эти результаты могут обеспечить импульс для разработки новых стратегий для доставки плазмонных частиц к опухолям.
Protocol
Representative Results
Discussion
Понятие целевой опухолеассоциированных макрофаги развивается как мощная концепция борьбы с раком 34, 35, 36. Здесь, вместо их уничтожения, эти клетки вербуют в качестве клеточных транспортных средств, чтобы принести золотые наностержни в опухоль, за счет экс?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана Regione Toscana и Европейским сообществом в рамках пузырьковой Eranet + Проекты СЗП и BI-TRE.
Materials
| Hexadecyltrimethylammonium bromide | Sigma-Aldrich | H6269 | To synthesize gold nanorods |
| Gold(III) chloride trihydrate | Sigma-Aldrich | 520918 | To synthesize gold nanorods |
| Silver nitrate | Sigma-Aldrich | S6506 | To synthesize gold nanorods |
| L-ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A5960 | To synthesize gold nanorods |
| Sodium borohydride | Sigma-Aldrich | To synthesize gold nanoseeds | |
| MeO-PEG-SH | Iris Biotech | PEG1171 | To PEGylate gold nanorods. Molecular weight about 5,000 Da |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 320099 | To PEGylate gold nanorods and solubilize chitosan |
| Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S8750 | To PEGylate gold nanorods |
| (11-Mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammonium bromide | Sigma-Aldrich | 733305 | To modify gold nanorods with quaternary ammonium compounds |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | 276855 | To solubilize (11-mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammonium bromide |
| Polysorbate 20 | Sigma-Aldrich | P2287 | To centrifuge PEGylated gold nanorods |
| PBS | Lonza | BE17-516F | To suspend gold nanorods before incubation with cells and to treat pellets of cells |
| J774a.1 | ATCC | TIB-67 | Monocyte/macrophage murine cell line |
| DMEM | Lonza | BE12-707F | Cell culture medium |
| FBS | Lonza | DE14-801F | To be added to cell culture medium |
| L-glutamine | Lonza | BE17-605E | To be added to cell culture medium |
| Penicillin/streptomycin | Lonza | DE17-602E | To be added to cell culture medium |
| Petri dish | NEST | 705001 | Cell culture dish |
| Cell scraper | EuroClone | ES7018 | To detach cells |
| Formaldehyde | Fluka | 47630 | To fix cells |
| Chitosan, low molecular weight | Sigma-Aldrich | 448869 | 75-85% deacetylated. Molecular weight about 120,000 Da |
| Sodium hydroxyde | Sigma-Aldrich | 306576 | To insolubilize chitosan and generate the hydrogel |
| Polystyrene cell culture plates | NEST | 702011 | Used as molds to fabricate chitosan hydrogels |
| Optical parametric oscillator pumped by the third harmonic of a Q-switched Nd:YAG laser | Continuum, Santa Clara, USA | Surelite OPO plus | Source of optical excitation for photoacoustic tests |
| Pyroelectric detector | Gentec, Quebec, Canada | QE8SP | To monitor optical fluence for photoacoustic tests |
| Pre amplified needle hydrophone | Precision Acoustic, Dorset, UK | Model with 1 mm sensor diameter and 1-20 MHz frequency range | To measure photoacoustic signals |
References
- Ratto, F., Matteini, P., Centi, S., Rossi, F., Pini, R. Gold nanorods as new nanochromophores for photothermal therapies. J. Biophotonics. (1-2), 4-41 (2011).
- Dreaden, E. C., Alkilany, A. M., Huang, X., Murphy, C. J., El-Sayed, M. A. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine. Chem. Soc. Rev. 41, 2740-2779 (2012).
- Hahn, M. A., Singh, A. K., Sharma, P., Brown, S. C., Moudgil, B. M. Nanoparticles as Contrast Agents for in-Vivo Bioimaging: Current Status and Future Perspectives. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 3-27 (2011).
- Dreaden, E. C., Austin, L. A., Mackey, M. A., El-Sayed, M. A. Size matters: gold nanoparticles in targeted cancer drug delivery. Ther. Deliv. 3 (4), 457-478 (2012).
- Manohar, S., Ungureanu, C., Van Leeuwen, T. G. Gold nanorods as molecular contrast agents in photoacoustic imaging: The promises and the caveats. Contrast Media Mol. Imaging. 6 (5), 389-400 (2011).
- Cavigli, L., et al. Size Affects the Stability of the Photoacoustic Conversion of Gold Nanorods. J. Phys. Chem. C. 118 (29), 16140-16146 (2014).
- Chen, L. -. C., et al. Enhanced photoacoustic stability of gold nanorods by silica matrix confinement. J. Biomed. Opt. 15 (1), 016010 (2010).
- Ratto, F., et al. CW laser-induced photothermal conversion and shape transformation of gold nanodogbones in hydrated chitosan films. J. Nanopart. Res. 13, 4337-4348 (2011).
- Mercatelli, R., et al. Quantitative readout of optically encoded gold nanorods using an ordinary dark-field microscope. Nanoscale. 5 (20), 9645-9650 (2013).
- Von Maltzahn, G., et al. Computationally guided photothermal tumor therapy using long-circulating gold nanorod antennas. Cancer Res. 69 (9), 3892-3900 (2009).
- Jokerst, J. V., Cole, A. J., Van De Sompel, D., Gambhir, S. S. Gold nanorods for ovarian cancer detection with photoacoustic imaging and resection guidance via Raman imaging in living mice. ACS Nano. 6 (11), 10366-10377 (2012).
- Huang, X., et al. A reexamination of active and passive tumor targeting by using rod-shaped gold nanocrystals and covalently conjugated peptide ligands. ACS Nano. 4 (10), 5887-5896 (2010).
- Alkilany, A. M., Thompson, L. B., Boulos, S. P., Sisco, P. N., Murphy, C. J. Gold nanorods: Their potential for photothermal therapeutics and drug delivery, tempered by the complexity of their biological interactions. Adv. Drug Deliv. Rev. 64, 190-199 (2012).
- Centi, S., et al. In vitro assessment of antibody-conjugated gold nanorods for systemic injections. J. Nanobiotechnology. 12, 55 (2014).
- Jain, P. K., Eustis, S., El-Sayed, M. A. Plasmon coupling in nanorod assemblies: Optical absorption, discrete dipole approximation simulation, and exciton-coupling model. J. Phys. Chem. B. 110 (37), 18243-18253 (2006).
- Funston, A. M., Novo, C., Davis, T. J., Mulvaney, P. Plasmon coupling of gold nanorods at short distances and in different geometries. Nano Lett. 9 (4), 1651-1658 (2009).
- Mazzoni, M., Ratto, F., Fortunato, C., Centi, S., Tatini, F., Pini, R. Partial Decoupling in Aggregates of Silanized Gold Nanorods. J. Phys. Chem. C. 118 (34), 20018-20025 (2014).
- Lapotko, D. O., Lukianova, E., Oraevsky, A. A. Selective laser nano-thermolysis of human leukemia cells with microbubbles generated around clusters of gold nanoparticles. Lasers Surg. Med. 38 (6), 631-642 (2006).
- Choi, M. R., et al. A cellular trojan horse for delivery of therapeutic nanoparticles into tumors. Nano Letters. 7 (12), 3759-3765 (2007).
- Dreaden, E. C., Mwakwari, S. C., La Austin, ., Kieffer, M. J., Oyelere, A. K., El-Sayed, M. A. Small molecule-gold nanorod conjugates selectively target and induce macrophage cytotoxicity towards breast cancer cells. Small. 8 (18), 2819-2822 (2012).
- Yang, T. D., et al. Real-time phase-contrast imaging of photothermal treatment of head and neck squamous cell carcinoma: an in vitro study of macrophages as a vector for the delivery of gold nanoshells. J. Biomed. Opt. 17 (12), 128003 (2012).
- Vigderman, L., Manna, P., Zubarev, E. R. Quantitative Replacement of Cetyl Trimethylammonium Bromide by Cationic Thiol Ligands on the Surface of Gold Nanorods and Their Extremely Large Uptake by Cancer Cells. Angew. Chem. Int. Ed. (English). 51 (3), 636-641 (2012).
- Richard, J. P., et al. Cell-penetrating peptides: A reevaluation of the mechanism of cellular uptake. J. Biol. Chem. 278 (1), 585-590 (2003).
- Delehanty, J. B., Boeneman, K., Bradburne, C. E., Robertson, K., Bongard, J. E., Medintz, I. L. Peptides for specific intracellular delivery and targeting of nanoparticles: implications for developing nanoparticle-mediated drug delivery. Ther. Deliv. 1, 411-433 (2010).
- Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Preparation and growth mechanism of gold nanorods (NRs) using seed-mediated growth method. Chem. Mater. 15 (10), 1957-1962 (2003).
- Ratto, F., Matteini, P., Rossi, F., Pini, R. Size and shape control in the overgrowth of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 12 (6), 2029-2036 (2009).
- Niidome, T., et al. PEG-modified gold nanorods with a stealth character for in vivo applications. J. Control. Release. 114 (3), 343-347 (2006).
- Tatini, F., et al. Size dependent biological profiles of PEGylated gold nanorods. J. Mater. Chem. B. 2, 6072-6080 (2014).
- Matteini, P., Ratto, F., Rossi, F., Centi, S., Dei, L., Pini, R. Chitosan films doped with gold nanorods as laser-activatable hybrid bioadhesives. Adv. Mater. 22 (38), 4313-4316 (2010).
- Matteini, P., Ratto, F., Rossi, F., de Angelis, M., Cavigli, L., Pini, R. Hybrid nanocomposite films for laser-activated tissue bonding. J. Biophotonics. 5 (11-12), 868-877 (2012).
- Matteini, P., Tatini, F., Cavigli, L., Ottaviano, S., Ghini, G., Pini, R. Graphene as a photothermal switch for controlled drug release. Nanoscale. 6, 7947-7953 (2014).
- Ratto, F., Witort, E., et al. Plasmonic Particles that Hit Hypoxic Cells. Adv. Funct. Mater. 25 (2), 316-323 (2015).
- Chithrani, D. B. Intracellular uptake, transport, and processing of gold nanostructures. Molec. Membrane Biol. 27 (7), 299-311 (2010).
- Mitchem, J. B., et al. Targeting tumor-infiltrating macrophages decreases tumor-initiating cells, relieves immunosuppression, and improves chemotherapeutic responses. Cancer Res. 73 (3), 1128-1141 (2013).
- Mantovani, A., Allavena, P. The interaction of anticancer therapies with tumor-associated macrophages. J. Exp. Med. 212 (4), 435-445 (2015).
- Panni, R. Z., Linehan, D. C., DeNardo, D. G. Targeting tumor-infiltrating macrophages to combat cancer. Immunotherapy. 5 (10), 1075-1087 (2013).
- Oh, E., et al. Cellular uptake and fate of PEGylated gold nanoparticles is dependent on both cell-penetration peptides and particle size. ACS Nano. 5 (8), 6434-6448 (2011).
- Yuan, H., Fales, A. M., Vo-Dinh, T. TAT peptide-functionalized gold nanostars: Enhanced intracellular delivery and efficient NIR photothermal therapy using ultralow irradiance. J. Am. Chem. Soc. 134 (28), 11358-11361 (2012).
- Ladest, S., Fales, A. M., Domard, A. Multi-membrane hydrogels. Nature. 452, 76-79 (2008).
- Matteini, P., et al. Photothermally activated hybrid films for quantitative confined release of chemical species. Angew. Chem. Int. Ed. (English). 52, 5956-5960 (2013).
- Khor, E., Lim, L. Y. Implantable applications of chitin and chitosan. Biomaterials. 24 (13), 2339-2349 (2003).
- Kennedy, L. C., et al. T cells enhance gold nanoparticle delivery to tumors in vivo. Nanoscale Res. Lett. 6 (1), 283 (2011).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Killingsworth, M. C., Xu, X., Cortie, M. B. Targeted destruction of murine macrophage cells with bioconjugated gold nanorods. J. Nanopart. Res. 9 (6), 1109-1124 (2007).
- Jokerst, J. V., Thangaraj, M., Kempen, P. J., Sinclair, R., Gambhir, S. S. Photoacoustic imaging of mesenchymal stem cells in living mice via silica-coated gold nanorods. ACS Nano. 6 (7), 5920-5930 (2012).
- Ding, H., et al. Gold nanorods coated with multilayer polyelectrolyte as contrast agents for multimodal imaging. J. Phys. Chem. C. 111 (34), 12552-12557 (2007).
- Esposito, G., et al. et al. In vivo laser assisted microvascular repair and end-to-end anastomosis by means of indocyanine green-infused chitosan patches: A pilot study. Lasers Surg. Med. 45 (5), 318-325 (2013).
