Syntesen av Core-shell Lanthanide-dopade uppkonvertering nanokristaller för cellulära applikationer
Summary
Ett protokoll presenteras för syntesen av core-shell lanthanide-dopade uppkonvertering nanokristaller (UCNs) och deras cellulära applikationer för protein kanaliseraregleringen vid nära infrarött (NIR) ljus belysning.
Abstract
Lanthanide-dopade uppkonvertering nanokristaller (UCNs) har rönt stor uppmärksamhet under senare år baserat på deras lovande och kontrollerbar optiska egenskaper, som möjliggör absorptionen av infrarött (NIR) ljus och kan därefter omvandla den till Multiplexed utsläpp som spänner över ett brett spektrum av regioner från UV till den synliga till Niren. Denna artikel presenterar detaljerade experimentella procedurer för hög temperatur samfällning syntes av core-shell UCNs att införliva olika lanthanide joner i nanokristaller för att effektivt omvandla deep-vävnad genomträngliga NIR excitation (808 nm) in i en stark blå utsläpp på 480 nm. Genom att kontrollera ytmodifiering med biokompatibel polymer (polyakryl syra, PAA), förvärvar de som förberedda UCNs bra löslighet i fungera som buffertlösningar. De hydrofila nanokristaller är ytterligare functionalized med specifika ligander (dibensyl cyclooctyne, DBCO) för lokalisering på cellmembranet. Vid NIR ljus (808 nm) bestrålning, matas ut blå utsläpp kan effektivt aktivera proteinet ljus-gated kanal på cellmembranet och särskilt reglera ering (t.ex., Ca2 +) tillströmningen i cytoplasman. Detta protokoll ger en genomförbar metod för syntesen av core-shell lanthanide-dopade UCNs och efterföljande biokompatibla ytmodifiering för ytterligare cellulära applikationer.
Introduction
Under de senaste åren har lanthanide-dopade uppkonvertering nanokristaller (UCNs) använts som ett alternativ till konventionella organiska färgämnen och kvantprickar i biomedicinska tillämpningar, som huvudsakligen bygger på deras utestående kemiska och optiska egenskaper, inklusive stor biokompatibilitet, hög motståndskraft mot fotoblekning och smala bandbredd utsläpp1,2,3. Viktigare, kan de fungera som en lovande nanotransducer med utmärkt vävnad penetration djup i vivo konvertera nära infrarött (NIR) excitation i ett brett spektrum av utsläpp från UV, synligt, och NIR regionerna genom en flera foton uppkonvertering process4,5. Dessa unika egenskaper gör lanthanide-dopade UCNs fungera som en särskilt lovande vektor för biologiska avkänning, biomedicinsk imaging och sjukdomar theranostics6,7,8.
De allmänna delarna av UCNs baserade huvudsakligen på de dopade lanthanide jonerna i isolerande värd matrisen som innehåller en sensitizer (t.ex., Yb3 +, Nd3 +) och en aktivator (t.ex., Tm3 +, Er3 +, Ho 3 +) inom kristallen homogeneously9. Olika optiska utsläpp från nanokristaller tillskrivs lokaliserade elektronisk övergång inom de 4f -orbitalsna de lanthanide dopants på grund av sin stege-liknande ordnad energi nivå10. Därför är det kritiskt att exakt kontrollera storlek och morfologi av syntetiserade UCNs med flerkomponents lanthanide dopants. Av rätt, har några lovande metoder varit väl etablerade för beredning av lanthanide-dopade UCNs, inklusive hög temperatur samfällning, sol-gel bearbetning, hydrotermiska syntes, termisk nedbrytning, etc.11 , 12 , 13 bland dessa synsätt, hög temperatur samfällning metoden är en av de mest populära och praktiska strategier för UCNs syntes, som kan kontrolleras strängt för att förbereda önskad högkvalitativa nanokristaller med enhetlig form och storleksfördelning i en relativt kort reaktionstid och låg kostnad14. De flesta nanostrukturer syntetiseras av denna metod är dock främst utjämnade med hydrofoba ligander såsom oljesyra och oleylamine, som i allmänhet hindrar deras ytterligare bioapplication på grund av begränsat av hydrofoba ligand löslighet i vattenlösning 15. därför, är det nödvändigt att utföra lämplig ytmodifiering tekniker för att förbereda biokompatibelt UCNs i biologiska applikationer in vitro och in-vivo.
Häri, presenterar vi detaljerade experimentella förfarandet för syntesen av core-shell UCNs nanostrukturer genom metoden hög temperatur samfällning och en möjlig ändring teknik till functionalize biokompatibel polymer på UCNs yta för Mer ytterligare cellulära applikationer. Denna UCNs nanoplatform innehåller tre lanthanide joner (Yb3 +, Nd3 +och Tm3 +) i den nanokristaller att förvärva starka blå utsläpp (~ 480 nm) vid NIR ljus magnetiseringen på 808 nm, vilket har större genomträngningsdjupet i levande vävnad. Det är väl känt att Nd3 +-dopade UCNs Visa minimerade vatten absorption och överhettning effekter vid denna spektrala fönster (808 nm) jämfört med konventionella UCNs på 980 nm bestrålning16,17, 18. Dessutom för att utnyttja UCNs i biologiska system, bort de hydrofoba liganderna (oljesyra) på ytan av UCNs för det första av ultraljudsbehandling i Syralösningen19. Sedan modifieras de ligand-fri UCNs ytterligare med en biokompatibel polymer (polyakryl syra, PAA) att förvärva bra löslighet i vattenlösningar20. Dessutom som ett proof-of-concept i cellulära applikationer, de hydrophilic UCNs är ytterligare functionalized med molekylär ligander (dibensyl cyclooctyne, DBCO) för specifik lokalisering på N3-taggade cellmembranet. Vid NIR ljus (808 nm) bestrålning, matas ut blå utsläpp på 480 nm kan effektivt aktivera ett ljus-gated kanal protein, channelrhodopsins-2 (ChR2), på cell ytan och därmed underlätta ering (t.ex., Ca2 + ion) tillströmning över membranet i levande celler.
Detta video protokoll ger en genomförbar metod för lanthanide-dopade UCNs syntes, biokompatibla ytmodifiering och UCNs bioapplication i levande celler. Eventuella skillnader i de syntes tekniker och kemiska reagenser som används i fysikalisk tillväxt kommer att påverka storlek distribution, morfologi och uppkonvertering luminiscens (UCL) spektra av slutliga UCNs nanostrukturer används i cellen experiment. Detta detaljerad video protokoll är beredd att hjälpa nya forskare i fältet att förbättra reproducerbarheten av UCNs med hög temperatur samfällning metoden och undvika de vanligaste misstagen i UCNs biokompatibla ytmodifiering för ytterligare cellulära applikationer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna artikel har presenterat en metod för syntesen av core-shell lanthanide-dopade uppkonvertering nanokristaller (UCNs) och deras ytmodifiering med funktionella beståndsdelarna för cellulära applikationer. Denna roman nanomaterial äger enastående optiska egenskaper, som kan avge UV och synligt ljus på NIR ljus magnetisering genom en multi photon uppkonvertering process. I detta protokoll, core-shell UCNs nanostrukturerna (NaYF4: Yb/Tm/Nd (30/0.5/1%)@NaYF4: Nd (20 %)) förbereds av en hög t…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete var delvis stöds av NTU-AIT-MUV NAM/16001, RG110/16 (S), (RG 11/13) och (RG 35/15) tilldelas i Nanyang Technological University, Singapore och National Natural Science Foundation av Kina (NSFC) (nr 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).
