Syntese og karakterisering af Amphiphilic guld nanopartikler
Summary
Amphiphilic guld nanopartikler kan bruges i mange biologiske applikationer. En protokol til syntetisere guld nanopartikler belagt med en binær blanding af ligander og en detaljeret karakterisering af disse partikler er præsenteret.
Abstract
Guld nanopartikler belagt med en blanding af 1-octanethiol (OT) og 11-mercapto-1-undecane sulfonsyre (MUS) er blevet grundigt undersøgt på grund af deres interaktioner med cellemembraner, lipid bilayers, og vira. De hydrofile ligander gør disse partikler kolloid stabile i vandige opløsninger og kombinationen med hydrofobiske ligander skaber en amfifile partikel, der kan læsses med hydrofobe stoffer, fusionere med lipid membraner, og modstå uspecifikke protein adsorption. Mange af disse egenskaber afhænger af nanopartikler størrelse og sammensætningen af ligand skallen. Det er derfor afgørende at have en reproducerbar syntetisk metode og pålidelige karakterisering teknikker, der gør det muligt at bestemme nanopartikel egenskaber og ligand Shell sammensætning. Her præsenteres en en-faset kemisk reduktion, efterfulgt af en grundig rensning for at syntetisere disse nanopartikler med diametre under 5 nm. Forholdet mellem de to ligander på overfladen af nanopartiklen kan justeres gennem deres støkiometriske forhold, der anvendes under syntesen. Vi demonstrerer, hvordan forskellige rutinemæssige teknikker, såsom transmission elektronmikroskopi (TEM), nuklear magnetisk resonans (NMR), termo gravimetrisk analyse (TGA), og ultraviolet-synlige (UV-Vis) SPEKTROMETRI, er kombineret til omfattende karakterisere nanopartiklenes fysisk-kemiske parametre.
Introduction
Ligand skallen af guld nanopartikler kan være konstrueret til at udstille flere forskellige egenskaber, der kan anvendes til at løse udfordringer i biomedicin1,2,3,4. En sådan alsidighed gør det muligt at kontrollere de intermolekylære interaktioner mellem nanopartikler og biomolekyler5,6,7. Hydrophobicity og opladning spiller en afgørende rolle, samt andre overflade parametre, der påvirker, hvordan nanopartikler interagerer med biomolekyler5,8,9. For at finjustere nanopartiklernes overfladeegenskaber tilbyder valget af de thiolatmolekyler, der udgør ligand skallen, et utal af muligheder i henhold til de ønskede egenskaber. For eksempel bruges en blanding af ligand-molekyler med hydrofobe-og hydrofile (f. eks.ladede) grupper ofte til at frembringe amphifilic nanopartikler10,11.
Et fremtrædende eksempel på denne type nanopartikler er beskyttet af en blanding af OT og mus (i det følgende benævnt mus: OT nanopartikler), som har vist sig at besidde mange relevante egenskaber12,13,14. For det første, med en ligand Shell sammensætning af 66% MUS (herefter 66:34 MUS: OT), er den kolloid stabilitet af nanopartiklerne høj, nå op til 33% i vægt i deioniseret vand, samt i fosfat-bufferet saltvandsopløsning (1x, 4 mM fosfat, 150 mM NaCl)15. Desuden udfældes disse partikler ikke ved relativt lave pH-værdier: for eksempel ved pH 2,3 og med saltkoncentrationer på 1 M NaCl15forbliver disse nanopartikler koldally stabile i månedsvis. Det støkiometriske forhold mellem de to molekyler på ligand skallen er vigtigt, fordi det dikterer kolloid stabilitet i opløsninger med en høj ionstyrke16.
Disse partikler har vist sig at krydse cellemembranen uden at porere det, via en energi-uafhængig pathway1,12. Den spontane fusion mellem disse partikler og lipid bilag ligger til grund for deres difsivitet gennem cellemembraner17. Mekanismen bag denne interaktion er minimering af kontakten mellem et Hydrofobisk opløsningsmiddel tilgængeligt overfladeareal og vandmolekyler ved fusion med lipid-bilag18. Sammenlignet med All-MUS nanopartikler (nanopartikler, der kun har MUS ligand på deres shell), den højere hydrofobicitet på blandede MUS: OT nanopartikler (for eksempel ved en 66:34 MUS: OT sammensætning) øger span af kernen diameter, der kan fusionere med lipid bilag18. Forskellige selvsamlings organisationer af ligand Shell korrelerer til særskilte bindings tilstande på 66:34 MUS: OT nanopartikler med forskellige proteiner, såsom albumin og ubiquitin, sammenlignet med All-MUS partikler19. For nylig er det blevet rapporteret, at 66:34 mus: OT nanopartikler kan anvendes som en bredspektret antiviral middel, der uigenkaldeligt ødelægger virus på grund af multivalente elektrostatiske bindinger af mus ligander og ikke-lokale koblinger af OT ligander til kapsid proteiner14. I alle disse tilfælde er det blevet konstateret, at det hydrofobe indhold, samt kerne størrelsen af nanopartiklerne, afgør, hvordan disse bio-Nano interaktioner finder sted. Disse forskellige egenskaber af MUS: OT nanopartikler har foranlediget mange computersimulation undersøgelser, der har til formål at afklare de mekanismer, der understøtter samspillet mellem MUS: OT partikler og forskellige biologiske strukturer såsom lipid bilag20.
Forberedelsen af MUS: OT-beskyttede AU nanopartikler udgør nogle få udfordringer. For det første er det opladede ligand (MUS) og det hydrofobiske ligand (OT) ublandbar. Således, opløseligheden af nanopartikler og ligander skal tages i betragtning i hele syntesen, samt under karakterisering. Desuden, renheden af MUS ligand molekyler-især indholdet af uorganiske salte i udgangsmaterialet-påvirker kvaliteten, reproducerbarhed, samt den kort-og langsigtede kolloid stabilitet af nanopartikler.
Her er en detaljeret syntese og karakterisering af denne klasse af amphifilic guld nanopartikler beskyttet af en blanding af MUS og OT er skitseret. En protokol til syntesen af den negativt ladede MUS ligand er rapporteret at sikre renhed og dermed reproducerbarhed af forskellige nanopartikler synteser. Derefter er proceduren for at generere disse nanopartikler, baseret på en fælles en-faset syntese, efterfulgt af grundig rensning, rapporteres i detaljer. Forskellige nødvendige karakteriserings teknikker21, såsom tem, UV-Vis, TGA, og NMR, er blevet kombineret for at opnå alle de nødvendige parametre for eventuelle yderligere biologiske eksperimenter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskriver først syntesen af mus ligand og, derefter, syntese og karakterisering af amfifile mus: OT guld nanopartikler. Syntetisere MUS med minimal saltindhold giver en bedre pålidelighed af det støkiometriske forhold mellem ligander under nanopartiklen syntese, som er en nøglefaktor for den reproducerbare syntese af MUS: OT nanopartikler med en Target hydrofobe indhold (figur 8). Brugen af methanol som et fælles opløsningsmiddel for MUS og OT, sammen med syntesen af par…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. og F.S. takker Swiss National Science Foundation og specielt NCCR ‘ Molecular Systems Engineering ‘. Z.L. og F.S. takker støtte fra den schweiziske National Science Foundation Division II tilskud. Alle forfattere takker Quy Ong for frugtbare diskussioner og for korrekturlæsning af manuskriptet.
Materials
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| Separatory funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
References
- Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
- Yeh, Y. -. C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
- Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
- Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , (2014).
- Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
- Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
- Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
- Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
- Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
- Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
- Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
- Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
- Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
- Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
- Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
- Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
- Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
- Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
- Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
- Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
- Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
- Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
- Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
- Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).
