Synthèse de noyau-enveloppe dopé Lanthanide Upconversion nanocristaux pour des Applications cellulaires
Summary
Un protocole est présenté pour la synthèse de nanocristaux coeur-écorce dopé lanthanide upconversion (UCNs) et leurs applications cellulaires pour la régulation des protéines canaux à lumière éclairage de proche infrarouge (NIR).
Abstract
Lanthanide dopé upconversion nanocristaux (UCNs) ont attiré beaucoup d’attention ces dernières années, selon leurs propriétés optiques prometteuses et contrôlables, qui permettent l’absorption de lumière de proche infrarouge (NIR) et peuvent ensuite convertir en multiplexage des émissions qui s’étendent sur un large éventail de régions de l’UV à la visible pour le RNI. Cet article présente les procédures expérimentales détaillées pour la synthèse de la coprécipitation de haute température du noyau-enveloppe UCNs qui intègrent des ions lanthanides différents dans les nanocristaux pour convertir efficacement excitation de NIR perméables aux tissus profonds (808 nm) dans une forte émission de bleue à 480 nm. En contrôlant la modification de surface avec polymère biocompatible (acide polyacrylique, AAP), l’UCNs préparés comme acquiert grande solubilité dans les solutions tampons. Les nanocristaux hydrophiles sont davantage fonctionnalisés avec des ligands spécifiques (cyclooctyne de dibenzyle, DBCO) pour la localisation sur la membrane cellulaire. À la lumière NIR (808 nm) irradiation, l’émission d’upconvertis bleu peut activer efficacement la protéine canal lumière bloquées sur la membrane cellulaire et réglementer spécifiquement l’afflux du cation (par exemple, Ca2 +) dans le cytoplasme. Ce protocole prévoit une méthode possible pour la synthèse du noyau-enveloppe dopé lanthanide UCNs et ultérieure biocompatible modification de surface pour des applications cellulaires plus.
Introduction
Ces dernières années, dopée lanthanide upconversion nanocristaux (UCNs) ont été largement utilisées comme alternative aux colorants organiques conventionnels et de points quantiques dans des applications biomédicales, qui reposent essentiellement sur leurs remarquables propriétés chimiques et optiques, y compris grande biocompatibilité, résistance élevée aux photobleaching et bande passante étroite d’émission1,2,3. Plus important encore, ils peuvent servir comme un nanotransducer prometteur avec tissu excellente pénétration profondeur in vivo pour convertir le proche infrarouge (NIR) excitation dans un large éventail d’émissions provenant de l’UV, le visible et régions NIR par un multi-photon processus de conversion ascendante4,5. Ces propriétés uniques font dopé lanthanide UCNs constituer un vecteur particulièrement prometteur pour la détection biologique, imagerie biomédicale et maladies théranostic6,7,8.
Les composantes générales de UCNs reposent essentiellement sur les ions lanthanides dopé dans la matrice hôte isolant contenant une substance sensibilisante (p. ex., Yb3 +, Nd3 +) et un activateur (p. ex., Tm3 +, Er3 +, Ho 3 +) dans le cristal homogènement9. L’émission optique différente depuis les nanocristaux est attribuée à la transition électronique localisée dans les 4 orbitalesf des dopants lanthanide en raison de leur échelle arrangée énergie niveau10. Par conséquent, il est essentiel de contrôler avec précision la taille et la morphologie des UCNs synthétisés avec dopants multicomposants lanthanide. De plein droit, certaines méthodes prometteuses ont été bien établies pour la préparation de lanthanide dopé UCNs, y compris la décomposition thermique haute température coprécipitation, synthèse hydrothermale, traitement de sol-gel, etc.11 , 12 , 13 parmi ces approches, la méthode de coprécipitation haute température est une des stratégies les plus populaires et pratiques pour la synthèse de UCNs, qui peuvent être strictement contrôlés pour préparer des nanocristaux de qualité désiré avec forme uniforme et distribution de la taille dans un temps de réaction relativement court et faible coût,14. Toutefois, la plupart des nanostructures synthétisés par cette méthode sont principalement plafonnées avec des ligands hydrophobes tels que l’acide oléique et oleylamine, qui empêchent généralement leur bioapplication supplémentaire en raison de la limited de solubilité de ligand hydrophobe en solution aqueuse 15. par conséquent, il est nécessaire d’effectuer des techniques de modification de surface convenable pour préparer UCNs biocompatibles en applications biologiques in vitro et in vivo.
Ici, nous présentons la procédure expérimentale détaillée pour la synthèse de nanostructures UCNs noyau-enveloppe par le biais de la méthode de coprécipitation haute température et une technique de modification possible pour fonctionnaliser polymère biocompatible UCNs surface pour Outre les applications cellulaires. Cette nanoplatform UCNs incorpore trois ions lanthanides (Yb3 +, Nd3 +et Tm3 +) dans les nanocristaux d’acquérir forte émission bleue (~ 480 nm) à l’excitation lumineuse NIR à 808 nm, ce qui assure une plus grande profondeur de pénétration dans tissus vivants. Il est bien connu que Nd3 +-UCNs dopés affichent les effets d’absorption et une surchauffe eau réduite à cette fenêtre spectrale (808 nm) par rapport aux classiques UCNs à 980 nm irradiation16,17, 18. en outre, pour pouvoir utiliser les UCNs dans les systèmes biologiques, les ligands hydrophobes (acide oléique) sur la surface de UCNs sont tout d’abord enlevés par sonication dans la solution acide19. Puis les UCNs exempt de ligand sont modifiées ultérieurement avec un polymère biocompatible (acide polyacrylique, AAP) pour acquérir la grande solubilité dans les solutions aqueuses de20. En outre, comme une preuve de concept dans les applications cellulaires, les UCNs hydrophiles sont davantage fonctionnalisés avec des ligands moléculaires (cyclooctyne de dibenzyle, DBCO) pour la localisation spécifique sur la N3-membrane de la cellule contenant le tag. À la lumière NIR (808 nm) irradiation, l’émission d’upconvertis bleu à 480 nm peut efficacement activer une protéine canal de lumière-dépendants, channelrhodopsins-2 (ChR2), sur la surface de cellules et ainsi faciliter l’afflux du cation (par exemple, ions Ca2 + ) à travers la membrane des cellules vivantes.
Ce protocole vidéo fournit une méthodologie possible pour dopé lanthanide UCNs synthèse, la modification des surfaces biocompatible et UCNs bioapplication dans les cellules vivantes. Toutes les différences dans les techniques de synthèse et les réactifs chimiques utilisés dans la croissance de nanocristaux semiconducteurs influeront sur les spectres de luminescence (UCL) taille upconversion, la morphologie et la distribution des nanostructures de UCNs final utilisé dans des expériences de cellule. Ce protocole vidéo détaillé est prête à aider les nouveaux chercheurs dans ce domaine pour améliorer la reproductibilité des UCNs avec la méthode de coprécipitation haute température et éviter les erreurs les plus communes dans la modification des surfaces biocompatible UCNs pour d’autres applications cellulaires.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cet article présente une méthode pour la synthèse de nanocristaux coeur-écorce dopé lanthanide upconversion (UCNs) et leur modification de surface avec les groupements fonctionnels pour des applications cellulaires. Ce nanomatériau roman possède des propriétés optiques remarquables, qui peuvent émettre des UV et lumière visible à excitation lumineuse NIR grâce à un processus de conversion ascendante multiphotonique. Dans le présent protocole, les noyau-enveloppe UCNs nanostructures (Chana4: Yb/T…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été partiellement soutenu par NTU-ACI-MUV NAM/16001, RG110/16 (S), (RG 11/13) et (RG 35/15) décerné à Université technologique de Nanyang, Singapour et National Natural Science Foundation de Chine (NSFC) (n° 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 |
References
- Wang, F., et al. Tuning upconversion through energy migration in core-shell nanoparticles. Nat Mater. 10 (12), 968-973 (2011).
- Liu, Y., et al. Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy. Nature. 543 (7644), 229-233 (2017).
- Fan, W., Bu, W., Shi, J. On The Latest Three-Stage Development of Nanomedicines based on Upconversion Nanoparticles. Adv Mater. 28 (24), 3987-4011 (2016).
- Zhu, X., et al. Temperature-feedback upconversion nanocomposite for accurate photothermal therapy at facile temperature. Nat Commun. 7, 10437-10446 (2016).
- Li, W., Wang, J., Ren, J., Qu, X. Near-infrared upconversion controls photocaged cell adhesion. J Am Chem Soc. 136 (6), 2248-2251 (2014).
- Min, Y., Li, J., Liu, F., Yeow, E. K., Xing, B. Near-infrared light-mediated photoactivation of a platinum antitumor prodrug and simultaneous cellular apoptosis imaging by upconversion-luminescent nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 53 (4), 1012-1016 (2014).
- Yang, D., Ma, P., Hou, Z., Cheng, Z., Li, C., Lin, J. Current advances in lanthanide ion (Ln(3+))-based upconversion nanomaterials for drug delivery. Chem Soc Rev. 44 (6), 1416-1448 (2015).
- Wang, C., Cheng, L., Liu, Z. Upconversion nanoparticles for photodynamic therapy and other cancer therapeutics. Theranostics. 3 (5), 317-330 (2013).
- Li, L. L., et al. Biomimetic surface engineering of lanthanide-doped upconversion nanoparticles as versatile bioprobes. Angew Chem Int Ed. 51 (25), 6121-6125 (2012).
- Wang, J., Ming, T., Jin, Z., Wang, J., Sun, L. D., Yan, C. H. Photon energy upconversion through thermal radiation with the power efficiency reaching 16%. Nat Commun. 5, 5669-5678 (2014).
- Zou, W., Visser, C., Maduro, J. A., Pshenichnikov, M. S., Hummelen, J. C. Broadband dye-sensitized upconversion of near-infrared light. Nat Photonics. 6 (8), 560-564 (2012).
- Liu, Y., Tu, D., Zhu, H., Li, R., Luo, W., Chen, X. A strategy to achieve efficient dual-mode luminescence of Eu(3+) in lanthanides doped multifunctional NaGdF(4) nanocrystals. Adv Mater. 22 (30), 3266-3271 (2010).
- Min, Y., Li, J., Liu, F., Padmanabhan, P., Yeow, E. K., Xing, B. Recent Advance of Biological Molecular Imaging Based on Lanthanide-Doped Upconversion-Luminescent Nanomaterials. Nanomaterials. 4 (1), 129-154 (2014).
- Li, X., Zhang, F., Zhao, D. Lab on upconversion nanoparticles: optical properties and applications engineering via designed nanostructure. Chem Soc Rev. 44 (6), 1346-1378 (2015).
- Gu, Z., Yan, L., Tian, G., Li, S., Chai, Z., Zhao, Y. Recent advances in design and fabrication of upconversion nanoparticles and their safe theranostic applications. Adv Mater. 25 (28), 3758-3779 (2013).
- Dong, H., Sun, L. D., Yan, C. H. Energy transfer in lanthanide upconversion studies for extended optical applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1608-1634 (2015).
- Ai, X., et al. In vivo covalent cross-linking of photon-converted rare-earth nanostructures for tumour localization and theranostics. Nat Commun. 7, 10432-10440 (2016).
- Lu, S., et al. Multifunctional Nano-Bioprobes Based on Rattle-Structured Upconverting Luminescent Nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 54 (27), 7915-7919 (2015).
- Bogdan, N., Vetrone, F., Ozin, G. A., Capobianco, J. A. Synthesis of ligand-free colloidally stable water dispersible brightly luminescent lanthanide-doped upconverting nanoparticles. Nano Lett. 11 (2), 835-840 (2011).
- Zheng, W., Huang, P., Tu, D., Ma, E., Zhu, H., Chen, X. Lanthanide-doped upconversion nano-bioprobes: electronic structures, optical properties, and biodetection. Chem Soc Rev. 44 (6), 1379-1415 (2015).
- Chen, X., Peng, D., Ju, Q., Wang, F. Photon upconversion in core-shell nanoparticles. Chem Soc Rev. 44 (6), 1318-1330 (2015).
- Wang, F., Deng, R., Liu, X. Preparation of core-shell NaGdF4 nanoparticles doped with luminescent lanthanide ions to be used as upconversion-based probes. Nat Protoc. 9 (7), 1634-1644 (2014).
- Chen, G., Agren, H., Ohulchanskyy, T. Y., Prasad, P. N. Light upconverting core-shell nanostructures: nanophotonic control for emerging applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1680-1713 (2015).
- Yang, Y., et al. In vitro and in vivo uncaging and bioluminescence imaging by using photocaged upconversion nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 51 (13), 3125-3129 (2012).
- Sedlmeier, A., Gorris, H. H. Surface modification and characterization of photon-upconverting nanoparticles for bioanalytical applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1526-1560 (2015).
- Hu, M., et al. Near infrared light-mediated photoactivation of cytotoxic Re(I) complexes by using lanthanide-doped upconversion nanoparticles. Dalton Trans. 45 (36), 14101-14108 (2016).
- Nagel, G., et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci USA. 100 (24), 13940-13945 (2003).
- Ai, X., et al. Remote Regulation of Membrane Channel Activity by Site-Specific Localization of Lanthanide-Doped Upconversion Nanocrystals. Angew Chem Int Ed. 56 (11), 3031-3035 (2017).
- Xie, R., et al. In vivo metabolic labeling of sialoglycans in the mouse brain by using a liposome-assisted bioorthogonal reporter strategy. Proc Natl Acad Sci USA. 113 (19), 5173-5178 (2016).
- Bansal, A., Zhang, Y. Photocontrolled nanoparticle delivery systems for biomedical applications. Acc Chem Res. 47 (10), 3052-3060 (2014).
- Yang, Y., Aw, J., Xing, B. Nanostructures for NIR light-controlled therapies. Nanoscale. 9 (11), 3698-3718 (2017).
- Ai, X., Mu, J., Xing, B. Recent Advances of Light-Mediated Theranostics. Theranostics. 6 (13), 2439-2457 (2016).
