Vastgebonden dubbellaagse lipidembranen om de warmteoverdracht tussen gouden nanodeeltjes en lipidembranen te bewaken
Summary
Dit werk schetst een protocol om dynamische, niet-invasieve monitoring van warmteoverdracht van laserbestraalde gouden nanodeeltjes naar tBLMs te bereiken. Het systeem combineert impedantiespectroscopie voor de real-time meting van geleidingsveranderingen over de tBLMs, met een horizontaal gerichte laserstraal die gouden nanodeeltjesverlichting aandrijft, voor warmteproductie.
Abstract
Hier rapporteren we een protocol om de warmteoverdracht tussen bestraalde gouden nanodeeltjes (BNP’s) en dubbellaagse lipidembranen te onderzoeken door elektrochemie met behulp van vastgebonden dubbellaagse lipidembranen (tBLMs) geassembleerd op gouden elektroden. Bestraalde gemodificeerde BNP’s, zoals streptavidin-geconjugeerde BNP’s, zijn ingebed in tBLMs die doelmoleculen bevatten, zoals biotine. Door deze benadering te gebruiken, worden de warmteoverdrachtsprocessen tussen bestraalde BNP’s en model dubbellaags lipidemembraan met entiteiten van belang gemedieerd door een horizontaal gerichte laserstraal. Het thermisch voorspellende rekenmodel wordt gebruikt om de elektrochemisch geïnduceerde geleidingsveranderingen in de tBLMs te bevestigen. Onder de specifieke omstandigheden die werden gebruikt, vereiste het detecteren van warmtepulsen specifieke bevestiging van de gouden nanodeeltjes aan het membraanoppervlak, terwijl ongebonden gouden nanodeeltjes geen meetbare respons konden uitlokken. Deze techniek dient als een krachtige detectiebiosensor die direct kan worden gebruikt voor het ontwerp en de ontwikkeling van strategieën voor thermische therapieën die optimalisatie van de laserparameters, deeltjesgrootte, deeltjescoatings en samenstelling mogelijk maken.
Introduction
De hypertherme prestaties van bestraalde gouden nanomaterialen bieden een nieuwe klasse van minimaal invasieve, selectieve, gerichte behandeling voor infecties en tumoren1. Het gebruik van nanodeeltjes die door een laser kunnen wordenverwarmd,is gebruikt om zieke cellen selectief te vernietigen en een middel te bieden voor selectieve medicijnafgifte2,3. Een gevolg van de fotothermolyseverschijnselen van verwarmde plasmonische nanodeeltjes is schade aan de celmembranen. Het vloeibare lipide dubbellaagse membraan wordt beschouwd als een bijzonder kwetsbare plaats voor cellen die dergelijke behandelingen ondergaan, omdat denaturatie van intrinsieke membraaneiwitten en membraanbeschadiging ook kan leiden tot celdood4, omdat er veel eiwitten zijn om de ionische potentiële gradiënt over celmembranen te behouden. Hoewel het vermogen om de warmteoverdracht op nanoschaal te bepalen en te monitoren van cruciaal belang is voor de studie en toepassing van bestraalde BNP’s1,5,6,7,beoordeling en begrip van de moleculaire interacties tussen BNP’s en biomembranen, evenals de directe gevolgen van de laser-geïnduceerde verwarmingsverschijnselen van ingebedde BNP’s in biologische weefsels, moeten nog volledig worden opgehelderd8. Daarom blijft een grondig begrip van het hyperthermieproces van bestraalde BNP’s een uitdaging. Als zodanig zou de ontwikkeling van een nanomateriaal-elektrode-interface die de natuurlijke omgeving van cellen nabootst, een middel kunnen zijn om een diepgaand onderzoek uit te voeren naar de warmteoverdrachtskenmerken van bestraalde gouden nanodeeltjes binnen biologische systemen.
De complexiteit van inheemse celmembranen is een van de belangrijke uitdagingen bij het begrijpen van de bestraalde BNP-interacties in cellen. Er zijn verschillende kunstmatige membraanplatforms ontwikkeld om nauwe eenvoudige bio-mimetische versies van natuurlijke lipidemembraanarchitectuur en -functionaliteit te bieden, waaronder, maar niet beperkt tot, zwarte lipidembranen9,ondersteunde planaire dubbellaagse membranen10,hybride dubbellaagse membranen11,polymeer-gedempte lipide bilayer membranen12 en vastgebonden dubbellaagse lipidembranen13. Elk kunstmatig lipidemembraanmodel heeft duidelijke voordelen en beperkingen met betrekking tot het nabootsen van de natuurlijke lipidemembranen14.
Deze studie beschrijft het gebruik van lipidemembraan-gecoate elektroden als een sensor voor het beoordelen van gouden nanodeeltjes en lipidemembraaninteracties, met behulp van het tBLM-model. Het op tBLM gebaseerde biosensordetectieschema biedt inherente stabiliteit en gevoeligheid13 omdat vastgebonden membranen zichzelf kunnen herstellen, in tegenstelling tot andere systemen (zoals membranen gevormd door patchklem of liposomen) waarin slechts een kleine hoeveelheid membraanschade resulteert in hun ineenstorting15,16,17,18. Verder, omdat tBLMs van mm 2-dimensies zijn, is de achtergrondimedantie ordes van grootte lager dan patch-clamp-opnametechnieken, die een registratie van veranderingen in basalemembraan ionische flux als gevolg van nanodeeltjesinteracties mogelijk maken. Als gevolg hiervan kan het huidige protocol veranderingen in membraangeleiding contrasteren met gebonden BNP’s die worden geëxciteerd door lasers met een vermogen van slechts 135 nW / μm2.
Het hier gepresenteerde systeem biedt een gevoelige en reproduceerbare methode voor het bepalen van nauwkeurige laserparameters, deeltjesgrootte, deeltjescoatings en samenstelling die nodig zijn om thermische therapieën te ontwerpen en te ontwikkelen. Dit is van cruciaal belang voor de verfijning van opkomende fotothermische therapieën en biedt waardevolle informatie voor gedetailleerde mechanismen van warmteoverdracht binnen biologische systemen. Het gepresenteerde protocol is gebaseerd op eerder gepubliceerd werk19. Een overzicht van het protocol is als volgt: het eerste deel definieert de tBLM-formatie; het tweede deel schetst hoe de opstelling moet worden geconstrueerd en de excitatielaserbron moet worden uitgelijnd; het laatste deel illustreert hoe informatie uit de elektrische impedantiespectroscopiegegevens kan worden geëxtraheerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft het gebruik van het tBLM-model met een coplanair elektrodesubstraat in combinatie met een horizontale laseruitlijning die de real-time elektrische impedantieregistratie mogelijk maakt als reactie op laserbestraling van gouden nanodeeltjes. De hier gepresenteerde methode van EIS-registratie construeert een minimale lijst van experimenten die nodig zijn om ionenstroomveranderingen over het membraan te registreren, wat overeenkomt met de warmte die wordt gegenereerd d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Australian Research Council (ARC) Discovery Program (DP150101065) en de ARC Research Hub for Integrated Device for End-user Analysis at Low-levels (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).
