الأغشية الدهنية ثنائية الطبقات المربوطة لمراقبة نقل الحرارة بين الجسيمات النانوية الذهبية والأغشية الدهنية
Summary
يحدد هذا العمل بروتوكولا لتحقيق مراقبة ديناميكية غير غازية لنقل الحرارة من الجسيمات النانوية الذهبية المشععة بالليزر إلى tBLMs. يجمع النظام بين التحليل الطيفي للمعاوقة لقياس تغيرات التوصيل في الوقت الفعلي عبر tBLMs ، مع شعاع ليزر يركز أفقيا يدفع إضاءة الجسيمات النانوية الذهبية ، لإنتاج الحرارة.
Abstract
هنا نبلغ عن بروتوكول للتحقيق في نقل الحرارة بين الجسيمات النانوية الذهبية المشععة (GNPs) والأغشية الدهنية ثنائية الطبقات عن طريق الكيمياء الكهربائية باستخدام الأغشية الدهنية ثنائية الطبقة المربوطة (tBLMs) التي يتم تجميعها على أقطاب ذهبية. وغرض الشبكات العالمية المعدلة المشععة، مثل شبكات الجيل التالي المترافقة مع الستريبتافيدين، مضمنة في ال TBLMs التي تحتوي على جزيئات مستهدفة، مثل البيوتين. وباستخدام هذا النهج، تتم توسط عمليات نقل الحرارة بين شبكات الجيل التالي المشععة والغشاء الدهني ثنائي الطبقة النموذجي مع الكيانات ذات الاهتمام بواسطة شعاع ليزر يركز أفقيا. ويستخدم النموذج الحسابي التنبؤي الحراري لتأكيد التغيرات الناجمة عن التوصيل الكهروكيميائية في tBLMs. وفي ظل الظروف المحددة المستخدمة، يتطلب الكشف عن نبضات الحرارة تعلقا محددا بالجسيمات النانوية الذهبية بسطح الغشاء، في حين فشلت الجسيمات النانوية الذهبية غير المقيدة في الحصول على استجابة قابلة للقياس. هذه التقنية بمثابة جهاز استشعار حيوي قوي للكشف يمكن استخدامه مباشرة لتصميم وتطوير استراتيجيات العلاجات الحرارية التي تسمح بتحسين معلمات الليزر وحجم الجسيمات وطلاء الجسيمات وتكوينها.
Introduction
الأداء الحراري المفرط للمواد النانوية الذهبية المشععة يقدم فئة جديدة من العلاج الحد الأدنى من الغازية والانتقائية والمستهدفة للعدوى والأورام1. وقد استخدمت توظيف الجسيمات النانوية التي يمكن تسخينها بواسطة الليزر لتدمير انتقائي الخلايا المريضة، فضلا عن توفير وسيلة لتسليم المخدراتالانتقائية 2,3. نتيجة لظاهرة انحلال الخلايا من الجسيمات النانوية البلازمونية الساخنة هو تلف أغشية الخلايا. يعتبر غشاء ثنائي الطبقة الدهنية السائل موقعا ضعيفا بشكل خاص للخلايا التي تخضع لمثل هذه العلاجات لأن تشبع بروتينات الغشاء الجوهري وكذلك تلف الغشاء يمكن أن يؤدي أيضا إلى موت الخلية4، حيث أن العديد من البروتينات موجودة للحفاظ على التدرج المحتمل الأيوني عبر أغشية الخلايا. في حين أن القدرة على تحديد ورصد نقل الحرارة على مقياس النانو هي ذات أهمية رئيسية لدراسة وتطبيق GNPs المشععة1و5و6و7، وتقييم وفهم التفاعلات الجزيئية بين GNPs والأغشية الحيوية ، وكذلك العواقب المباشرة لظواهر التدفئة الناجمة عن الليزر من GNPs المضمنة في الأنسجة البيولوجية ، لم يتم توضيحها بالكاملبعد 8. ولذلك، فإن الفهم الدقيق لعملية ارتفاع الحرارة في شبكات الجيل التالي المشععة لا يزال يشكل تحديا. وعلى هذا النحو، فإن تطوير واجهة للأقطاب الكهربائية النانوية تحاكي البيئة الطبيعية للخلايا يمكن أن يوفر وسيلة لإجراء تحقيق متعمق في خصائص نقل الحرارة للجسيمات النانوية الذهبية المشععة داخل النظم البيولوجية.
تعقيد أغشية الخلايا الأصلية هو واحد من التحديات الكبيرة في فهم التفاعلات GNPs المشععة في الخلايا. كانت هناك منصات مختلفة الأغشية الاصطناعية وضعت لتوفير إصدارات محاكاة بيولوجية بسيطة قريبة من بنية الغشاء الدهني الطبيعي والوظائف، بما في ذلك، على سبيل المثال لا الحصر، أغشية الدهون السوداء9،دعمت الأغشية ثنائية الطبقات بلانار10،الأغشية ثنائية الطبقةالهجينة 11،البوليمر خففت الأغشية ثنائية الطبقة الدهنية12 والأغشية الدهنية ثنائية الطبقات المربوطة13. كل نموذج غشاء الدهون الاصطناعية له مزايا والقيود المتميزة فيما يتعلق تقليد الأغشية الدهنية الطبيعية14.
تصف هذه الدراسة توظيف الأقطاب الكهربائية المغلفة بالغشاء الدهني كمستشعر لتقييم الجسيمات النانوية الذهبية وتفاعلات غشاء الدهون ، باستخدام نموذج tBLM. يوفر نظام الكشف عن الاستشعار الحيوي القائم على tBLM الاستقرار المتأصل والحساسية13 حيث يمكن للأغشية المربوطة الإصلاح الذاتي ، على عكس الأنظمة الأخرى (مثل الأغشية التي تشكلها الرقعة المشبك أو الليبوسومات) التي ينتج فيهاسوى كميةصغيرة من تلف الغشاء في انهيارها 15و16و17و18. علاوة على ذلك ، لأن tBLMs هي من أبعاد مم2 ، فإن مقاومة الخلفية هي أوامر أقل من تقنيات التسجيل المشبك التصحيحي ، والتي تمكن من تسجيل التغيرات في التدفق الأيوني للغشاء القاعدي بسبب تفاعلات الجسيمات النانوية. ونتيجة لذلك، يمكن للبروتوكول الحالي أن يتناقض مع التغيرات في موصلية الأغشية بواسطة شبكات الجيل التالي المقيدة التي تتحمس لأشعة الليزر التي تكون قوتها منخفضة إلى 135 nW/μm2.
يوفر النظام المعروض هنا طريقة حساسة وقابلة للاستنساخ لتحديد معلمات الليزر الدقيقة وحجم الجسيمات وطلاء الجسيمات والتركيب اللازم لتصميم وتطوير العلاجات الحرارية. وهذا أمر بالغ الأهمية لصقل العلاجات الحرارية الضوئية الناشئة، فضلا عن تقديم معلومات قيمة للآليات التفصيلية لنقل الحرارة داخل النظم البيولوجية. ويستند البروتوكول المقدم على العمل المنشور سابقا19. وفيما يلي مخطط تفصيلي للبروتوكول: يعرف القسم الأول تشكيل TBLM؛ أما الجزء الأول فيحدد تشكيل TBLM؛ أما الجزء الأول فيحدد تشكيل البروتوكولات. يوضح القسم الثاني كيفية إنشاء الإعداد ومحاذاة مصدر ليزر الإثارة؛ يوضح المقطع الأخير كيفية استخراج المعلومات من بيانات التحليل الطيفي للمعاوقة الكهربائية.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول استخدام نموذج tBLM مع ركيزة قطب كهربائي coplanar بالتزامن مع محاذاة الليزر الأفقي التي تم إعدادها والتي تمكن تسجيل المعاوقة الكهربائية في الوقت الحقيقي استجابة لتشعيع الليزر من الجسيمات النانوية الذهبية. طريقة تسجيل EIS المعروضة هنا يبني قائمة الحد الأدنى م…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد دعم هذا العمل برنامج اكتشاف مجلس البحوث الأسترالي (DP150101065) ومركز أبحاث ARC للأجهزة المتكاملة لتحليل المستخدم النهائي عند المستويات المنخفضة (IDEAL) (IH150100028).
Materials
| 30 nm diameter streptavidin-conjugated gold nanoparticles | Cytodiagnostics | AC-30-04-05 | This is a streptavidin-conjugated GNPs product ready for use |
| 30 nm diameter bare gold nanoparticles | Sigma-Aldrich | 753629 | This is a bare GNPs product ready for use |
| Cholesterol-PEG-Biotin (MW1000) | NANOCS | PG2-BNCS-10k | Dissolved in highly pure ethanol |
| C20 Diphytanyl-Glycero-Phosphatidylcholine lipids | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S1 | 1 ml glass vial containing 70% C16 diphytanyl phosphatidylcholine (DPEPC) and 30% C16 diphytanyl glycerol (GDPE) in 99.9% ethanol |
| Benzyl-disulfide-tetra-ethyleneglycol-OH | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S2 | Spacer molecules |
| Benzyl-disulfide (tetra-ethyleneglycol) n=2 C20-phytanyl | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-S2 | Tethered molecules |
| 532 nm green laser continuous light | OBIS LS/OBIS CORE LS, China | ND-1000 | The power of this laser was ~135 mW |
| tethaPod EIS reader | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-R1 | A reader of conductance and capacitance on six channels simultaneously |
| tethaPlate cartridge assembly | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-BG | Materials to attach the slide with electrodes to the flow cell cartridge |
| Clamp and slide assembly jig | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-A1 | Materials to attach the slide with electrodes to the flow cell cartridge |
| Lipid coated coplanar gold electrodes | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-T10 | Coplanar gold electrodes are made from 25 mm x 75 mm x 1 mm polycarbonate base substrate with patterned gold arrays layout, then coated with benzyldisulphide, bis-tetraethylene glycol C16 phytanyl half membrane spanning tethers in a tether ratio of 10% |
| tethaQuick software | SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. | SDx-B1 | Software for use with tethaPod to process data and display conductance, impedance and capacitance measurements from the tethaPlate electrodes |
| 99.9% Pure ethanol | Sigma-Aldrich | 34963 | Absolute, 99.9% |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-Aldrich | P4417 | pH 7 |
References
- Her, S., Jaffray, D. A., Allen, C. Gold nanoparticles for applications in cancer radiotherapy: Mechanisms and recent advancements. Advanced Drug Delivery Reviews. 109, 84-101 (2017).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Killingsworth, M. C., Xu, X., Cortie, M. B. Targeted destruction of murine macrophage cells with bioconjugated gold nanorods. Journal of Nanoparticle Research. 9 (6), 1109-1124 (2007).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Miller, C. M., Cortie, M. B. A golden bullet? Selective targeting of Toxoplasma gondii tachyzoites using antibody-functionalized gold nanorods. Nano Letters. 7 (12), 3808-3812 (2007).
- Zhang, H. -. G., Mehta, K., Cohen, P., Guha, C. Hyperthermia on immune regulation: a temperature’s story. Cancer Letters. 271 (2), 191-204 (2008).
- Gobin, A. M., et al. Near-infrared resonant nanoshells for combined optical imaging and photothermal cancer therapy. Nano Letters. 7 (7), 1929-1934 (2007).
- Jackson, J. B., Halas, N. J. Surface-enhanced Raman scattering on tunable plasmonic nanoparticle substrates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (52), 17930-17935 (2004).
- Emelianov, S. Y., Li, P. -. C., O’Donnell, M. Photoacoustics for molecular imaging and therapy. Physics Today. 62 (8), 34 (2009).
- Dimitriou, N. M., et al. Gold nanoparticles, radiations and the immune system: Current insights into the physical mechanisms and the biological interactions of this new alliance towards cancer therapy. Pharmacology & Therapeutics. 178, 1-17 (2017).
- Mueller, P., Rudin, D. O., Tien, H. T., Wescott, W. C. Reconstitution of cell membrane structure in vitro and its transformation into an excitable system. Nature. 194 (4832), 979 (1962).
- Tamm, L. K., McConnell, H. M. Supported phospholipid bilayers. Biophysical Journal. 47 (1), 105-113 (1985).
- Plant, A. L. Supported hybrid bilayer membranes as rugged cell membrane mimics. Langmuir. 15 (15), 5128-5135 (1999).
- Sackmann, E. Supported membranes: scientific and practical applications. Science. 271 (5245), 43-48 (1996).
- Alghalayini, A., Garcia, A., Berry, T., Cranfield, C. G. The Use of Tethered Bilayer Lipid Membranes to Identify the Mechanisms of Antimicrobial Peptide Interactions with Lipid Bilayers. Antibiotics. 8 (1), 12 (2019).
- Khan, M. S., Dosoky, N. S., Williams, J. D. Engineering lipid bilayer membranes for protein studies. International Journal of Molecular Sciences. 14 (11), 21561-21597 (2013).
- Urban, P., Kirchner, S. R., Mühlbauer, C., Lohmüller, T., Feldmann, J. Reversible control of current across lipid membranes by local heating. Scientific Reports. 6, 22686 (2016).
- Palankar, R., et al. Nanoplasmonically-induced defects in lipid membrane monitored by ion current: transient nanopores versus membrane rupture. Nano Letters. 14 (8), 4273-4279 (2014).
- Bendix, P. M., Reihani, S. N. S., Oddershede, L. B. Direct measurements of heating by electromagnetically trapped gold nanoparticles on supported lipid bilayers. ACS Nano. 4 (4), 2256-2262 (2010).
- Plaksin, M., Shapira, E., Kimmel, E., Shoham, S. Thermal transients excite neurons through universal intramembrane mechanoelectrical effects. Physical Review X. 8 (1), 011043 (2018).
- Alghalayini, A., et al. Real-time monitoring of heat transfer between gold nanoparticles and tethered bilayer lipid membranes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. , 183334 (2020).
- Moradi-Monfared, S., Krishnamurthy, V., Cornell, B. A molecular machine biosensor: construction, predictive models and experimental studies. Biosensors and Bioelectronics. 34 (1), 261-266 (2012).
- Hoiles, W., Gupta, R., Cornell, B., Cranfield, C., Krishnamurthy, V. The effect of tethers on artificial cell membranes: A coarse-grained molecular dynamics study. PloS One. 11 (10), 0162790 (2016).
- Cranfield, C. G., et al. Transient potential gradients and impedance measures of tethered bilayer lipid membranes: pore-forming peptide insertion and the effect of electroporation. Biophysical Journal. 106 (1), 182-189 (2014).
- Dombrovsky, L. A. . Radiation heat transfer in disperse systems. , (1996).
- Cornell, B. A., Braach-Maksvytis, V., King, L., Osman, P. A biosensor that uses ion-channel switches. Nature. 387 (6633), 580 (1997).
- Maccarini, M., et al. Nanostructural determination of a lipid bilayer tethered to a gold substrate. The European Physical Journal E. 39 (12), 123 (2016).
- Beugin-Deroo, S., Ollivon, M., Lesieur, S. Bilayer stability and impermeability of nonionic surfactant vesicles sterically stabilized by PEG-cholesterol conjugates. Journal of Colloid and Interface Science. 202 (2), 324-333 (1998).
- Kendall, J. K., et al. Effect of the Structure of Cholesterol-Based Tethered Bilayer Lipid Membranes on Ionophore Activity. ChemPhysChem. 11 (10), 2191-2198 (2010).
- Jiang, W., Kim, B. Y., Rutka, J. T., Chan, W. C. Nanoparticle-mediated cellular response is size-dependent. Nature Nanotechnology. 3 (3), 145 (2008).
- He, C., Hu, Y., Yin, L., Tang, C., Yin, C. Effects of particle size and surface charge on cellular uptake and biodistribution of polymeric nanoparticles. Biomaterials. 31 (13), 3657-3666 (2010).
- Wang, F. X., et al. Surface and bulk contributions to the second-order nonlinear optical response of a gold film. Physical Review B. 80 (23), 233402 (2009).
