Summary

Syntese af Gold Nanopartikel Integrated Foto-responsive Liposomer og måling af deres Mikroboble Kavitation på Pulse Laser Excitation

Published: February 24, 2016
doi:

Summary

Denne protokol beskriver en simpel fremstillingsmetode for guld nanopartikler integreret foto-responsiv liposomer med de kommercielt tilgængelige materialer. Det viser også, hvordan man kan måle mikroboble kavitation processen med de syntetiserede liposomer ved behandling af pulseret laser.

Abstract

Photo-responsive nanoparticles (NPs) have received considerable attention because of their potential in providing spatial, temporal, and dosage control over the drug release. However, most of the relevant technologies are still in the development process and are unprocurable by clinics. Here, we describe a facile fabrication of these photo-responsive NPs with commercially available gold NPs and thermo-responsive liposomes. Calcein is used as a model drug to evaluate the encapsulation efficiency and the release kinetic profile upon heat/light stimulation. Finally, we show that this photo-triggered release is due to the membrane disruption caused by microbubble cavitation, which can be measured with hydrophone.

Introduction

Muligheden for at udløse medikamentfrigivelse brug af eksterne stimuli er en attraktiv måde at levere narkotika i spatial-, temporal- og dosering-kontrollerede mode med maksimeret specificitet og minimale bivirkninger. Blandt en lang række eksogene stimuli-responsive systemer (lys, magnetfelt, ultralyd, mikrobølge stråling), lys-udløst platforme er attraktive på grund af deres ikke-invasiv, enkelhed og tilpasningsevne i klinikkerne. 1 Omfattende forskning i det seneste årti har givet en bred vifte af platform teknologier, såsom nær-infrarødt lys ansvarlig guld (Au) nanocages belagt med smarte polymerer, 2 foto-labile, polymere nanopartikler (NPS) konjugeret med narkotika, 3 og selv-samlet porphysome nanovesicles. 4 Men disse teknologier er stadig i de præklinisk udvikling, og kræver en klar forståelse og optimering af parametre, der er involveret i processen med at iværksætte og contrullende lægemiddelstoffrigivelsen.

En af de enkleste og let tilgængelige metoder til fremstilling af et sådant system er at integrere Au nationale parlamenter med termisk følsomme liposomer 5,6, som begge er almindeligt tilgængelige på markedet og er blevet grundigt undersøgt i prækliniske og endda kliniske forsøg. Uanset begrænsningen af dybtliggende væv aktivering af Au NP'er på deres plasmoniske bølgelængde, sammenlignet med nær-infrarød-aktiveret Au nanostrukturer (f.eks nanocages), dette stadig lover godt, når de anvendes i små dyr eller til topisk levering i mennesker. 7 Der er nogle tidlige indsats i at kombinere Au nationale parlamenter med liposomer for lys-udløst frigivelse. 8-11 Mens de fleste af dem fokuserer på den nyhed af materialer, skal behandles tilgængelighed og skalerbarhed spørgsmål. Desuden rapporter om mekanismer release bruger disse nanocarriers er stadig begrænsede.

Heri betyder fremstillingen af ​​fotofølsomtliposomer, samtidig lastet med narkotika og hydrofile Au NP'er er blevet beskrevet. Calcein anvendes som model forbindelse at evaluere indkapslingseffektivitet og frigivelsesprofilen for systemet. Desuden i dette system, lys absorberes af Au NP'er spreder til det omgivende mikromiljø i form af varme, hvilket resulterer i en stigning i den lokale temperatur. Luftmikrobobler frembringes, medens laser opvarmning og forårsage mekanisk forstyrrelse af liposomer (figur 1). Mekanismen af ​​mikroboble kavitation bekræftes af hydrofonsystemer målinger.

Protocol

1. Fremstilling Ren 100 ml rundbundet kolber under anvendelse kongevand (1 del koncentreret salpetersyre (HNO3) og 3 dele koncentreret saltsyre (HCI)) og vaskes kolberne med DI vand. Autoklaver kolberne og tør dem i en varmluftovn ved 100 ° C i 15 min. Wrap og lagre de sterile kolber indtil anvendelse. Steriliser håndholdte mini-ekstruder indstillet med 70% ethanol. Slå på rotationsinddamperen og indstille temperaturen af ​​det varme vandbad, og køletårnet ved 37 ° C…

Representative Results

Liposomer blev fremstillet ved anvendelse af en konventionel tynd film hydrering teknik med DPPC, MPPC og DSPE-PEG2000 i et molforhold på 86: 10: 4 eller 7,95: 0,65:. 1,39 mg / ml 12 Størrelsen af Au NP'er er kritisk at bestemme lys at opvarme omdannelseseffektiviteten i den følgende laser excitation eksperiment. Mindre størrelse Au nationale parlamenter, højere er transducerende effektivitet. 13 Således 5 nm Au nationale parlamenter, de mindste prøver fr…

Discussion

Tyndfilm hydrering er den konventionelle metode til fremstilling af liposomer. Organiske opløsningsmidler (chloroform i dette tilfælde) blev først anvendt til at opløse lipiderne og derefter fjernet i en rotationsfordamper ved 37 ° C til frembringelse af et lipid tynd film på kolben. Denne lipidfilm blev hydratiseret med den vandige opløsning indeholdende 60 mM calcein og 5 nm Au NP'er. Under hydrering proces blev temperaturen opretholdt omkring 50 ° C, og kolben blev konstant omrørt ved kolben roterer. Nø…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev delvist støttet af Tier-1 Academic Research fondene ved Singapore Undervisningsministeriet (RG 64/12 til CX) og NTU-Northwestern Institute of nanomedicin.

Materials

1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) Avanti Polar Lipids (Alabama, US) 850355P Powder, Store at -20 °C
1-palmitoyl-2-hydroxy-sn-glycero-3-phosphocholine (MPPC) Avanti Polar Lipids (Alabama, US) 855675P Powder, Store at -20 °C
1, 2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanol-amine-N-[methoxy(polyethylene glycol)-2000] (ammonium salt) (DSPE-PEG2000)  Avanti Polar Lipids (Alabama, US) 880120P Powder, Store at -20 °C
Gold Nanoparticles Sigma Aldrich 752568-100mL 5nm particles, stabilized at 0.1mM PBS
Calcein Sigma Aldrich C0875-10g 60mM, pH 7.4 – adjusted using NaOH
phosphate buffered saline (PBS) Sigma Aldrich P5493 0.1 mM, pH 7.4
Double distilled water Millipore Milli-DI water purification system
Triton X100   Sigma, Life Sciences X-100 To disrupt the liposomes to calculate total encapsulation
Rotavapor   Buchi (Switzerland) R 210 Used for Lipososme preparation
Heating bath Buchi (Switzerland) B 491 Used for Lipososme preparation
Vacuum Controller   Buchi (Switzerland) V-850 Used for Lipososme preparation
Vacuum Pump Buchi (Switzerland) V-700 Used for Lipososme preparation
Recirculation bath with temperature controller Polyscience Used for Lipososme preparation
 Mini-extruder assembly with heating block  Avanti Polar Lipids (Alabama, US) 610000 Used for extrusion of liposomes
Syringes, 1000 uL Avanti Polar Lipids (Alabama, US) 610017 Used for extrusion of liposomes
Polycarbonate filter membrane, 200nm   Whatmann 800281 Used for extrusion of liposomes
Filter Support Avanti Polar Lipids (Alabama, US) 610014 Used for extrusion of liposomes
PD 10 Desalting coulumns, Sephadex G-25 medium GE Healthcare, Life sciences 17-0851-01 Used to purify the liposomes
Centrifuge   Sigma Laboratory Centrifuges 3K30 Used to concentrate the liposomal solution 
Rotor Sigma 19777-H Used to concentrate the liposomal solution 
Zetasizer   Nano ZS Malvern Used for the determination of liposome size and zetapotential
UV- Visible Spectrophotometer Shimadzu UV-2450 Used to measure the absorbance of the samples
Fluorescent Spectrofluorometer   Molecular Devices SpectraMax M5 Used to measure the fluorescence emission of the samples
Nd:YAG Laser NewWave Research 532 nm; Maximum power: 17mJ; Width: 406 ns; Used for sample irradiation
HNR Hydrophone ONDA HNR-1000 1000 mm diameter and 450 nV/Pa sensitivity, Proper working frequency range: 0.25-10 MHz; Calibration: 50 mV/Bar; Used to measure the acoustic signals
Digital Osciloscope LECORY – Wave Runner 64Xi-A Frequency: 600 MHz; Max sample rate : 10 Gs/s (at two channel); Used to record the measured acoustic signals

References

  1. McCoy, C. P., et al. Triggered drug delivery from biomaterials. Expert Opin. Drug Deliv. 7 (5), 605-616 (2010).
  2. Yavuz, M. S., et al. Gold nanocages covered by smart polymers for controlled release with near-infrared light. Nat. Mater. 8 (12), 935-939 (2009).
  3. Gohy, J. F., Zhao, Y. Photo-responsive block copolymer micelles: design and behavior. Chem. Soc. Rev. 42 (17), 7117-7129 (2013).
  4. Lovell, J. F., et al. Porphysome nanovesicles generated by porphyrin bilayers for use as multimodal biophotonic contrast agents. Nat. Mater. 10 (4), 324-332 (2011).
  5. Needham, D., Dewhirst, M. W. The development and testing of a new temperature-sensitive drug delivery system for the treatment of solid tumors. Adv. Drug Deliv. Rev. 53 (3), 285-305 (2001).
  6. Landon, C. D., Park, J. Y., Needham, D., Dewhirst, M. W. Nanoscale drug delivery and hyperthermia: the materials design and preclinical and clinical testing of low temperature-sensitive liposomes used in combination with mild hyperthermia in the treatment of local cancer. Open Nanomed. J. 3, 38-64 (2011).
  7. Sykes, E. A., Dai, Q., Tsoi, K. M., Hwang, D. M., Chan, W. C. Nanoparticle exposure in animals can be visualized in the skin and analysed via skin biopsy. Nat. Commun. 5, 3796 (2014).
  8. Paasonen, L., et al. Gold nanoparticles enable selective light-induced contents release from liposomes. J. Control. Release. 122 (1), 86-93 (2007).
  9. Wu, G., et al. Remotely Triggered Liposome Release by Near-Infrared Light Absorption via Hollow Gold Nanoshells. J. Am. Chem. Soc. 130 (26), 8175-8177 (2008).
  10. Leung, S. J., Kachur, X. M., Bobnick, M. C., Romanowski, M. Wavelength-Selective Light-Induced Release from Plasmon Resonant Liposomes. Adv. Funct. Mater. 21 (6), 1113-1121 (2011).
  11. Volodkin, D. V., Skirtach, A. G., Möhwald, H. Near-IR Remote Release from Assemblies of Liposomes and Nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed. 48 (10), 1807-1809 (2009).
  12. Mills, J. K., Needham, D. Lysolipid incorporation in dipalmitoylphosphatidylcholine bilayer membranes enhances the ion permeability and drug release rates at the membrane phase transition. Biochim. Biophys. Acta. 1716 (2), 77-96 (2005).
  13. Jiang, K., Smith, D. A., Pinchuk, A. O. Size-dependent Photothermal Conversion Efficiencies of Plasmonically Heated Gold Nanoparticles. J. Phys. Chem. C. 117 (51), 27073-27080 (2013).
  14. Chongsiriwatana, N., Barron, A., Giuliani, A., Rinaldi, A. C. Comparing bacterial membrane interaction of antimicrobial peptides and their mimics. Antimicrobial Peptides. 618, 171-182 (2010).
  15. Egerev, S., et al. Acoustic signals generated by laser-irradiated metal nanoparticles. Appl. Opt. 48 (7), C38-C45 (2009).
  16. González, M. G., Liu, X., Niessner, R., Haisch, C. Strong size-dependent photoacoustic effect on gold nanoparticles by laser-induced nanobubbles. Appl. Phys. Lett. 96, 174104 (2010).
check_url/53619?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Mathiyazhakan, M., Chan, W., Ohl, C., Xu, C. Synthesis of Gold Nanoparticle Integrated Photo-responsive Liposomes and Measurement of Their Microbubble Cavitation upon Pulse Laser Excitation. J. Vis. Exp. (108), e53619, doi:10.3791/53619 (2016).

View Video