Синтез ядро оболочка легированный лантаноиды Upconversion нанокристаллов для сотовых приложений
Summary
Протокол представляется для синтеза ядро оболочка легированный лантаноиды upconversion нанокристаллов (универсальные) и их клеточных приложений для регулирования белок канала на ближней ИК-области спектра (NIR) света освещение.
Abstract
Легированный лантаноиды upconversion нанокристаллов (универсальные) привлекли большое внимание в последние годы, на основе их перспективных и controllable оптическими свойствами, которые позволяют для поглощения в ближней ИК-области спектра (NIR) света и впоследствии может преобразовать его в мультиплексированных выбросов, которые охватывают более широкий спектр регионов от УФ до видимой в НДК. Эта статья представляет подробные экспериментальные процедуры для совместного осадки высокой температуры синтеза ядро оболочка универсальные, которые включают различные лантаноиды ионов в нанокристаллов для эффективного преобразования глубокие ткани проницаемые NIR возбуждения (808 Нм) в сильной синий выбросов на 480 Нм. Контролируя модификации поверхности с Биосовместимых полимеров (полиакриловой кислоты, ПАА), подготовлена как универсальные приобретает большой растворимость в буферных растворов. Гидрофильные нанокристаллов далее функционализированных с конкретными лигандами (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) для локализации на клеточной мембраны. По НИР свет (808 нм) облучения, upconverted синий выбросов может эффективно активировать свет закрытый канал белка на мембране клеток и конкретно регулировать приток катионита (например, Ca2 +) в цитоплазме. Этот протокол предоставляет возможные методологии для синтеза ядро оболочка легированный лантаноиды универсальные и последующих биосовместимых модификации поверхности для дальнейшей сотовой приложений.
Introduction
В последние годы легированный лантаноиды upconversion нанокристаллов (универсальные) широко используются как альтернатива обычных органических красителей и квантовые точки в биомедицинских приложений, которые основаны главным образом на их выдающиеся химические и оптические свойства, включая большой биосовместимость, высокая устойчивость к Фотообесцвечивание и выбросов узкой полосой пропускания1,2,3. Что еще более важно они могут служить перспективных nanotransducer с отличным ткани проникновения глубины в естественных условиях для преобразования NIR регионах через несколько фотонных и ближней ИК-области спектра (NIR) возбуждения в широкий спектр выбросов от УФ, видимой, upconversion процесс4,5. Эти уникальные свойства делают легированный лантаноиды универсальные служить вектором особенно многообещающим для зондирования биологических, биомедицинских изображений и заболеваний theranostics6,,78.
Общие компоненты универсальные основаны главным образом на легированных лантаноиды ионов в матрице изолирующие хост, содержащий сенсибилизатор (например, Yb3 +, Nd3 +) и активатор (например, Tm3 +, Er3 +, Хо 3 +) в рамках кристалл однородно9. Различные оптического излучения от нанокристаллов приписывается локализованные электронных перехода в пределах 4f орбитали лантаноиды активаторов вследствие их лестница как аранжированный энергетический уровень10. Таким образом важно, чтобы точно контролировать размер и морфология синтезированных универсальные с многокомпонентных лантаноиды активаторов. По праву некоторые перспективные методы хорошо созданы для подготовки легированный лантаноиды универсальные, включая термического разложения, Сопредседатель осадки высокой температуры, гидротермального синтеза, золь гель обработки, т. д.11 , 12 , 13 среди этих подходов, метод высокотемпературной Сопредседатель осадков является одним из наиболее популярным и удобным стратегий для синтеза универсальные, который строго контролироваться подготовить желаемого высокого качества нанокристаллов с единообразной формой и распределение по размерам в относительно короткое время реакции и лоу кост14. Однако большинство наноструктур синтезируется этот метод главным образом ограничен с гидрофобным лигандами как олеиновой кислоты и oleylamine, которые обычно препятствуют их дальнейшему bioapplication из-за ограниченной растворимости гидрофобные лиганд в водном растворе 15. Таким образом, это необходимо для выполнения подходящей поверхности природную подготовить биосовместимых универсальные в биологических приложений в пробирке и в естественных условиях.
Здесь мы представляем подробную экспериментальной процедуры для синтеза ядро оболочка универсальные наноструктур через метод совместного осадки высокой температуры и возможности модификации технику для functionalize Биосовместимых полимеров на поверхности универсальные для дальнейшее сотовой приложений. Это универсальные nanoplatform включает в себя три лантаноиды ионов (Yb3 +, Nd3 +и Tm3 +) в нанокристаллов приобретать сильное синий выбросов (~ 480 Нм) на свет возбуждения NIR 808 нм, который имеет большую глубину проникновения в живой ткани. Хорошо известно, что Nd3 +-легированный универсальные отображения свернутого водные эффекты поглощения и перегрева на этом спектральные окна (808 нм) по сравнению с обычными UCNs на 980 нм облучения16,17, 18. Кроме того, использовать универсальные в биологических системах, гидрофобные лигандами (олеиновая кислота) на поверхности универсальные, sonication в раствор кислоты19, во-первых, удаляются. Затем лиганд свободной Универсальные дальнейшие изменения с Биосовместимых полимеров (полиакриловой кислоты, ПАА) приобрести большой растворимость в водных растворах20. Кроме того, в качестве доказательства в концепция в клеточных приложений, универсальные гидрофильные далее функционализированных с молекулярной лигандами (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) для конкретных локализации на N3-меткой клеточной мембраны. По НИР свет (808 нм) облучения, upconverted синий выбросов на 480 Нм можно эффективно активировать свет закрытого канала белок, channelrhodopsins-2 (ChR2), на поверхности клеток и таким образом облегчить приток катионита (например, Ca2 + ионный) через мембраны клеток живых.
Это видео протокол предусматривает возможные методологии легированный лантаноиды универсальные синтеза, биосовместимых модификации поверхности и универсальные bioapplication в живых клетках. Любые различия в методах синтеза и химические реактивы, используемые в Нанокристаллические роста будет влиять на размер распределения, морфология и upconversion Спектры люминесценции (UCL) окончательный универсальные наноструктур, используемая в экспериментах по ячейке. Этот подробный видео-протокол готов помочь новых исследователей в этой области для улучшения воспроизводимость универсальные с методом высокотемпературной Сопредседатель осадков и избежать наиболее распространенных ошибок в универсальные биосовместимых модификации поверхности для дальнейшей Сотовый приложений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эта статья представил метод синтеза ядро оболочка легированный лантаноиды upconversion нанокристаллов (универсальные) и их модификации поверхности с функциональной постановление для сотовых приложений. Этот роман Наноматериал обладает выдающиеся оптические свойства, выделяющие УФ и види…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддерживается НТУ-МТА-MUV ДН/16001, RG110/16 (S), (RG 11/13) и (RG 35/15) награжден в Nanyang технологический университет, Сингапур и национальные естественные науки фонд из Китая (NSFC) (№ 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).
