सोने के नैनोकणों और लिपिड झिल्ली के बीच हीट ट्रांसफर की निगरानी करने के लिए सीमित बाइलेयर लिपिड झिल्ली
Summary
यह काम लेजर-विकिरणित सोने के नैनोकणों से टीबीएलएमएस तक हीट ट्रांसफर की गतिशील, गैर-आक्रामक निगरानी प्राप्त करने के लिए एक प्रोटोकॉल की रूपरेखा तैयार करता है। यह प्रणाली टीबीएलएमएस में आचरण परिवर्तनों के वास्तविक समय के माप के लिए बाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी को जोड़ती है, जिसमें एक क्षैतिज रूप से केंद्रित लेजर बीम है जो गर्मी उत्पादन के लिए सोने की नैनोपार्टिकल रोशनी को चलाता है।
Abstract
यहां हम सोने के इलेक्ट्रोड पर इकट्ठे हुए सीमित बाइलेयर लिपिड झिल्ली (टीबीएलएमएस) का उपयोग करके इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री द्वारा विकिरणित सोने के नैनोकणों (जीएनपीएस) और बाइलेयर लिपिड झिल्ली के बीच गर्मी हस्तांतरण की जांच करने के लिए एक प्रोटोकॉल की रिपोर्ट करते हैं। विकिरणित संशोधित जीएनपीएस, जैसे स्ट्रेप्टाविडिन-कंजुगेट जीएनपी, टीबीएलएम में एम्बेडेड हैं, जिनमें लक्ष्य अणु, जैसे बायोटिन शामिल हैं। इस दृष्टिकोण का उपयोग करके, विकिरणित जीएनपी और रुचि की संस्थाओं के साथ मॉडल बाइलेयर लिपिड झिल्ली के बीच गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं को क्षैतिज रूप से केंद्रित लेजर बीम द्वारा मध्यस्थता की जाती है। थर्मल भविष्य कहनेवाला कम्प्यूटेशनल मॉडल का उपयोग टीबीएलएमएस में इलेक्ट्रोकेमेमिक रूप से प्रेरित चालकता परिवर्तनों की पुष्टि करने के लिए किया जाता है। उपयोग की जाने वाली विशिष्ट परिस्थितियों में, गर्मी दालों का पता लगाने के लिए झिल्ली की सतह पर सोने के नैनोकणों के विशिष्ट लगाव की आवश्यकता होती है, जबकि अनबाउंड गोल्ड नैनोकण एक औसत दर्जे की प्रतिक्रिया प्राप्त करने में विफल रहे । यह तकनीक एक शक्तिशाली डिटेक्शन बायोसेंसर के रूप में कार्य करती है जिसका उपयोग थर्मल उपचारों के लिए रणनीतियों के डिजाइन और विकास के लिए सीधे किया जा सकता है जो लेजर मापदंडों, कण आकार, कण कोटिंग्स और संरचना के अनुकूलन की अनुमति देता है।
Introduction
विकिरणित सोने के नैनोमैटेरियल्स का हाइपरथर्मिक प्रदर्शन संक्रमण और ट्यूमर1के लिए न्यूनतम आक्रामक, चयनात्मक, लक्षित उपचार का एक नया वर्ग प्रदान करता है। नैनोकणों के रोजगार जिन्हें लेजर द्वारा गर्म किया जा सकता है , का उपयोग रोगग्रस्त कोशिकाओं को चुनिंदा रूप से नष्ट करने के साथ – साथ चुनिंदा दवा वितरणकेलिए एक साधन प्रदान करने के लिए किया गयाहै। गर्म प्लाज्मोनिक नैनोकणों की फोटोथर्मोलिसिस घटना का परिणाम कोशिका झिल्ली को नुकसान पहुंचाता है। तरल लिपिड बाइलेयर झिल्ली को इस तरह के उपचारों से गुजरने वाली कोशिकाओं के लिए एक विशेष रूप से कमजोर साइट माना जाता है क्योंकि आंतरिक झिल्ली प्रोटीन के साथ-साथ झिल्ली क्षति का विकृति भी कोशिका मृत्यु4का कारण बन सकता है, क्योंकि कोशिका झिल्ली में आयनिक संभावित ढाल को बनाए रखने के लिए कई प्रोटीन हैं। जबकि नैनोस्केल पर हीट ट्रांसफर को निर्धारित करने और निगरानी करने की क्षमता विकिरणित जीएनपीएस1,5,6,7के अध्ययन और अनुप्रयोग के लिए महत्वपूर्ण रुचि है, जीएनपी और जैव-झिल्ली के बीच आणविक बातचीत का आकलन और समझ, साथ ही जैविक ऊतकों में एम्बेडेड जीएनपी की लेजर-प्रेरित हीटिंग घटना के प्रत्यक्ष परिणाम, अभी तक पूरी तरह से स्पष्ट हो रहे हैं8. इसलिए, विकिरणित जीएनपी की हाइपरथर्मिया प्रक्रिया की पूरी तरह से समझ एक चुनौती बनी हुई है। इस प्रकार, कोशिकाओं के प्राकृतिक परिवेश की नकल करने वाले नैनोमैटेरियल-इलेक्ट्रोड इंटरफ़ेस का विकास एक साधन प्रदान कर सकता है जिसके द्वारा जैविक प्रणालियों के भीतर विकिरणित सोने के नैनोकणों की गर्मी हस्तांतरण विशेषताओं की गहराई से जांच की जा सकती है।
देशी कोशिका झिल्ली की जटिलता कोशिकाओं में विकिरणित जीएनपी इंटरैक्शन को समझने में महत्वपूर्ण चुनौतियों में से एक है। प्राकृतिक लिपिड झिल्ली वास्तुकला और कार्यक्षमता के करीब सरल जैव-मिमेटिक संस्करण प्रदान करने के लिए विकसित विभिन्न कृत्रिम झिल्ली प्लेटफॉर्म हैं, जिनमें काले लिपिड झिल्ली9,समर्थित प्लानर बाइलेयर झिल्ली10,हाइब्रिड बाइलेयर झिल्ली11,पॉलीमर-कुशन लिपिड बाइलेयर झिल्ली12 और सीमित बाइलेयर लिपिड झिल्लीझिल्ली 13शामिल हैं। प्रत्येक कृत्रिम लिपिड झिल्ली मॉडल के प्राकृतिक लिपिड झिल्ली14की नकल करने के संबंध में अलग – अलग फायदे और सीमाएं होती हैं ।
इस अध्ययन में टीबीएम मॉडल का उपयोग करते हुए सोने के नैनोपार्टिकल और लिपिड झिल्ली इंटरैक्शन का आकलन करने के लिए एक सेंसर के रूप में लिपिड झिल्ली-लेपित इलेक्ट्रोड के रोजगार का वर्णन किया गया है । टीबीएलएम आधारित बायोसेंसर डिटेक्शन योजना अंतर्निहित स्थिरता और संवेदनशीलता प्रदान करती है13 क्योंकि सीमित झिल्ली स्वयं-मरम्मत कर सकती हैं, अन्य प्रणालियों (जैसे पैच-क्लैंप या लिपोसोम्स द्वारा गठित झिल्ली) के विपरीत, जिसमें केवल थोड़ी मात्रा में झिल्ली क्षति के परिणामस्वरूप उनके पतन15,16,17, 18होते हैं। इसके अलावा, क्योंकि टीबीएलएमएसमिमी 2 आयामों के हैं, पृष्ठभूमि बाधा पैच-क्लैंप रिकॉर्डिंग तकनीकों की तुलना में कम परिमाण के आदेश हैं, जो नैनोपार्टिकल इंटरैक्शन के कारण बेसल झिल्ली आयनिक प्रवाह में परिवर्तनों की रिकॉर्डिंग को सक्षम बनाता है। इसके परिणामस्वरूप, वर्तमान प्रोटोकॉल बाध्य जीएनपीएस द्वारा झिल्ली आचरण में परिवर्तनों के विपरीत हो सकता है जो लेजर से उत्साहित हैं जिनकी शक्तियां 135 एनडब्ल्यू/माइक्रोन2के रूप में कम हैं।
यहां प्रस्तुत प्रणाली सटीक लेजर मापदंडों, कण आकार, कण कोटिंग्स और थर्मल चिकित्सा डिजाइन और विकसित करने के लिए आवश्यक संरचना का निर्धारण करने के लिए एक संवेदनशील और प्रजनन विधि प्रदान करता है । यह उभरते फोटोथर्मल उपचारों के शोधन के साथ-साथ जैविक प्रणालियों के भीतर गर्मी हस्तांतरण के विस्तृत तंत्र के लिए मूल्यवान जानकारी प्रदान करने के लिए महत्वपूर्ण है। प्रस्तुत प्रोटोकॉल पहले प्रकाशित कार्य19पर आधारित है । प्रोटोकॉल की एक रूपरेखा इस प्रकार है: पहला खंड टीबीएलएम गठन को परिभाषित करता है; दूसरा खंड सेटअप का निर्माण करने और उत्तेजन लेजर स्रोत को संरेखित करने के तरीके को रेखांकित करता है; अंतिम खंड दिखाता है कि विद्युत बाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी डेटा से जानकारी कैसे निकाला जाए।
Protocol
Representative Results
Discussion
यह प्रोटोकॉल एक क्षैतिज लेजर संरेखण स्थापित करने के साथ संयोजन इलेक्ट्रोड सब्सट्रेट के साथ टीबीएलएम मॉडल के उपयोग का वर्णन करता है जो सोने के नैनोकणों के लेजर विकिरण के जवाब में वास्तविक …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम को ऑस्ट्रेलियन रिसर्च काउंसिल (एआरसी) डिस्कवरी प्रोग्राम (DP150101065) और एआरसी रिसर्च हब फॉर इंटीग्रेटेड डिवाइस फॉर एंड-यूजर एनालिसिस एट लो-लेवल्स (आदर्श) (IH150100028) द्वारा समर्थित किया गया था ।
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).
