Síntese de Core-shell Lanthanide dopados com nanocristais de Upconversion para aplicativos de celulares
Summary
Um protocolo é apresentado para a síntese de nanocristais de núcleo-casca dopado com lantanídeos upconversion (UCNs) e seus aplicativos de celulares para regulamento de proteína canal sobre iluminação de infravermelho próximo (NIR).
Abstract
Nanocristais dopado com lantanídeos upconversion (UCNs) têm atraído muita atenção nos últimos anos, com base em suas propriedades ópticas promissoras e controláveis, que permitem a absorção de luz de infravermelho próximo (NIR) e posteriormente podem convertê-lo em multiplexados de emissões que se estendem sobre uma escala larga das regiões de UV para o visível para o NIR. Este artigo apresenta detalhados procedimentos experimentais para a síntese de co-precipitação de alta temperatura de núcleo-casca UCNs que incorporar íons lantanídeos diferentes em nanocristais para converter eficientemente a excitação de NIR penetrável de tecidos profundos (808 nm) em uma forte emissão azul em 480 nm. Controlando a modificação da superfície com polímero biocompatível (ácido poliacrílico, PAA), os preparado como UCNs adquire grande solubilidade em soluções tampão. Os nanocristais hidrofílicos são ainda mais acrescidas com ligantes específicos (cyclooctyne, dibenzyl, DBCO) para a localização na membrana celular. A luz NIR (808 nm) a irradiação, a emissão de upconverted azul pode efetivamente ativar a proteína de canais dependentes de luz sobre a membrana celular e regulam especificamente o influxo de cátion (por exemplo, Ca2 +) no citoplasma. Este protocolo fornece uma metodologia viável para a síntese de núcleo-casca dopado com lantanídeos UCNs e subsequente modificação da superfície biocompatível para mais aplicativos de celulares.
Introduction
Nos últimos anos, nanocristais dopado com lantanídeos upconversion (UCNs) têm sido amplamente utilizados como uma alternativa aos corantes orgânicos convencionais e pontos quânticos em aplicações biomédicas, que se baseiam principalmente na sua excelente química e propriedades ópticas, incluindo o excelente biocompatibilidade, alta resistência ao fotobranqueamento e largura de banda estreita de emissão1,2,3. Mais importante, eles podem servir como um promissor nanotransducer com tecido excelente penetração profundidade na vivo para converter a excitação de infravermelho próximo (NIR) para uma ampla gama de emissões de UV, visível e as regiões NIR através de um fóton multi upconversion processo4,5. Essas propriedades exclusivas faça dopado com lantanídeos UCNs servir como um vetor particularmente promissor para detecção biológica, imagem biomédica e doenças theranostics6,7,8.
Os componentes gerais de UCNs baseiam-se principalmente sobre os íons lantanídeos dopados na matriz isolante de host contendo um sensibilizador (por exemplo, Yb3 +,3 +Nd) e um ativador (por exemplo, Tm3 +, Er3 +, Ho 3 +) dentro do cristal homogeneamente9. A emissão ótica diferente dos nanocristais é atribuída à transição eletrônica localizada dentro os 4 orbitaisf dos dopantes lantanídios devido a sua escada, como arranjado energia nível10. Portanto, é fundamental para controlar com precisão o tamanho e morfologia de UCNs sintetizados com dopantes multicomponente lantanídeos. Por certo, alguns métodos promissores foram bem estabelecidos para a preparação de UCNs dopado com lantanídeos, incluindo a decomposição térmica de alta temperatura co-precipitação, síntese hidrotermal, processamento sol-gel, etc.11 , 12 , 13 entre essas abordagens, o método de co-precipitação de alta temperatura é uma das estratégias mais populares e convenientes para a síntese de UCNs, que pode ser estritamente controlada para preparar desejado nanocristais de alta qualidade com forma uniforme e distribuição de tamanho em um relativamente curto tempo de reação e de baixo custo14. No entanto, maioria das nanoestruturas sintetizadas por esse método são principalmente tampadas com ligantes hidrofóbicas, tais como o ácido oleico e oleylamine, que geralmente dificultam sua bioapplication mais devido o limitada de solubilidade de ligante hidrofóbicas em solução aquosa 15. portanto, é necessário executar técnicas de modificação de superfície adequado para preparar UCNs biocompatíveis em aplicações biológicas in vitro e em vivo.
Aqui, apresentamos o procedimento experimental detalhado para a síntese de nanoestruturas de UCNs núcleo-casca através do método de co-precipitação de alta temperatura e uma técnica de modificação viável para funcionalizar polímero biocompatível na superfície de UCNs mais aplicativos de celulares. Este nanoplatform de UCNs incorpora três íons lantanídeos (Yb3 +3 +Nd e Tm3 +) na nanocristais de adquirir forte emissão azul (~ 480 nm) após excitação luz de NIR em 808 nm, que tem maior profundidade de penetração no tecido vivo. É sabido que Nd3 +-UCNs dopados exibir efeitos de absorção e superaquecimento de água minimizado na janela espectral (808 nm) em comparação com UCNs convencionais em cima de 980 nm irradiação16,17, 18. Além disso, para utilizar os UCNs em sistemas biológicos, os ligantes hidrofóbicos (ácido oleico) na superfície de UCNs em primeiro lugar são removidos pelo sonication em solução ácida19. Então os ligante livre UCNs são modificados com um polímero biocompatível (ácido poliacrílico, PAA) para adquirir grande solubilidade em soluções aquosas de20. Além disso, como um prova de conceito em aplicativos de celulares, os UCNs hidrofílicos são ainda mais acrescidas com ligantes moleculares (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) para uma localização específica no N3-com a tag da membrana celular. A luz NIR (808 nm) irradiação, a emissão de upconverted azul em 480 nm pode efetivamente ativar uma proteína canal dependentes de luz, channelrhodopsins-2 (ChR2), na superfície de células e, assim, facilitar o afluxo de cátion (por exemplo, íon de Ca2 + ) através da membrana das células vivas.
Este protocolo de vídeo fornece uma metodologia viável para síntese de UCNs dopado com lantanídeos, modificação da superfície biocompatível e UCNs bioapplication em células vivas. Quaisquer diferenças nas técnicas de síntese e reagentes químicos usados no crescimento de nanocrystal influenciará os espectros tamanho distribuição, morfologia e upconversion luminescência (UCL) de nanoestruturas de UCNs finais usados em experimentos de célula. Este protocolo detalhado vídeo está disposto a ajudar novos pesquisadores neste campo para melhorar a reprodutibilidade de UCNs com o método de co-precipitação de alta temperatura e evitar os erros mais comuns na modificação da superfície UCNs biocompatível para mais aplicativos de celulares.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artigo apresentou um método para a síntese de nanocristais de núcleo-casca dopado com lantanídeos upconversion (UCNs) e sua modificação da superfície com partes funcionais para aplicativos de celulares. Este romance nanomaterial possui excelentes propriedades ópticas, que podem emitir luz UV e visível em cima da excitação de luz de NIR através de um processo multi fóton upconversion. Neste protocolo, as núcleo-casca UCNs nanoestruturas (NaYF4: Yb/Tm/Nd (30/0.5/1%)@NaYF4: Nd (20 %)…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi parcialmente financiado pela NTU-AIT-NAM MUV/16001, RG110/16 (S), (RG 11/13) e (RG 15/35) concedido em Nanyang Technological University, Singapore e Nacional Natural Science Foundation da China (NSFC) (n º 51628201).
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 |
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