金ナノ粒子と脂質膜の熱伝達をモニターする二重層脂質膜
Summary
この研究は、レーザー照射金ナノ粒子からtBLMへの熱伝達の動的で非侵襲的なモニタリングを達成するためのプロトコルを概説する。このシステムは、インピーダンス分光法を組み合わせて、tBLM全体の伝導変化をリアルタイムで測定し、金ナノ粒子照明を駆動する水平に焦点を当てたレーザービームを熱製造に使用します。
Abstract
ここでは、金電極に組み立てられたテザリング二重層脂質膜(tBLM)を用いた電気化学による、照射された金ナノ粒子(GNP)と二層脂質膜の間の熱伝達を調べるプロトコルを報告する。ストレプトアビジン共役GNPなどの照射された修飾GNPは、ビオチンなどの標的分子を含むtBLMに埋め込まれています。このアプローチを用いることで、照射されたGNPと目的のエンティティを持つモデル二重層脂質膜との間の熱伝達プロセスは、水平に焦点を合わせるレーザービームによって媒介される。熱予測計算モデルは、tBLMにおける電気化学的に誘導された伝導度の変化を確認するために使用されます。使用される特定の条件下では、熱パルスを検出するには金ナノ粒子を膜表面に特定の付着させる必要がありますが、結合されていない金ナノ粒子は測定可能な応答を引き出すことができませんでした。この技術は、レーザーパラメータ、粒子サイズ、粒子コーティングおよび組成物の最適化を可能にする熱療法の戦略の設計と開発に直接利用することができる強力な検出バイオセンサーとして機能します。
Introduction
照射された金ナノ材料の高熱性能は、感染症および腫瘍に対する低侵襲、選択的、標的治療の新しいクラスを提供する。レーザーで加熱できるナノ粒子の雇用は、疾患細胞を選択的に破壊するとともに、選択的薬物送達2,3の手段を提供するために用いられてきた。熱いプラズモニックナノ粒子の光熱による現象の結果は、細胞膜への損傷である。この流体脂質二重層膜は、細胞膜全体のイオンポテンシャル勾配を維持するために多くのタンパク質が存在するため、固有の膜タンパク質の変性および膜損傷も細胞死に至る可能性があるため、このような治療を受けている細胞にとって特に脆弱な部位と考えられている。ナノスケールでの熱伝達を決定および監視する能力は、照射されたGnP1、5、6、7、GnPsとバイオ膜間の分子相互作用の評価と理解、ならびに生物学的組織における組み込みGnMPのレーザー誘発加熱現象の直接的な結果の研究と応用に重要な関心事であるが、 まだ完全に解明されていない8.したがって、照射されたGNPの温熱法プロセスを十分に理解することは依然として課題である。このように、細胞の自然環境を模倣するナノ材料電極界面の開発は、生物学的システム内で照射された金ナノ粒子の熱伝達特性の詳細な調査を行う手段を提供することができる。
ネイティブ細胞膜の複雑さは、細胞内の照射されたGNP相互作用を理解する上で重要な課題の1つです。天然脂質膜アーキテクチャおよび機能性の近接的なバイオ模倣バージョンを提供するために開発された様々な人工膜プラットフォームが存在するが、これらに限定されないが、黒色脂質膜9、支持された平坦二重層膜10、ハイブリッド二層膜11、ポリマークッション脂質二層膜12およびテザリング二層脂質膜13。各人工脂質膜モデルは、天然脂質膜14を模倣することに関して明確な利点および限界を有する。
本研究では、tBLMモデルを用いて、金ナノ粒子と脂質膜相互作用を評価するためのセンサーとしての脂質膜被覆電極の採用について説明する。tBLMベースのバイオセンサ検出スキームは、わずか量の膜損傷が15、16、17、18に至る他のシステム(パッチクランプまたはリポソームによって形成された膜など)とは異なり、テザード膜が自己修復できる固有の安定性と感度13を提供する。また、tBLMはmm2次元であるため、背景インピーダンスはパッチクランプ記録技術よりも桁違いに低く、ナノ粒子相互作用による基底膜イオン束の変化を記録することができます。この結果、本プロトコルは、135 nW/μm2と低いパワーを持つレーザーによって励起される結合されたGnMPによる膜伝導度の変化を対比することができる。
ここで提示されるシステムは、正確なレーザーパラメータ、粒子サイズ、粒子コーティング、および熱療法の設計と開発に必要な組成を決定するための敏感で再現可能な方法を提供します。これは、新たな光熱療法の改良に不可欠であり、生物学的システム内の熱伝達の詳細なメカニズムに関する貴重な情報を提供する。提示されたプロトコルは、以前に公開された作品19に基づいています。プロトコルの概要は次のとおりです: 最初のセクションは、tBLM の形成を定義します。2 番目のセクションでは、セットアップを構築し、励振レーザー ソースを位置合わせする方法について説明します。最後のセクションでは、電気インピーダンス分光法データから情報を抽出する方法を示しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、金ナノ粒子のレーザー照射に応答してリアルタイムの電気インピーダンス記録を可能にする水平レーザーアライメントセットアップと組み合わせて、同一平面電極基板を備えたtBLMモデルの使用を記述する。ここで提示されるEIS記録の方法は、膜全体のイオン電流変化の記録を提供するために必要な実験の最小限のリストを構築し、これは、結合レ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、オーストラリア研究評議会(ARC)ディスカバリープログラム(DP150101065)と、低レベル(IDEAL)(IH150100028)でのエンドユーザ分析のための統合デバイスのためのARC研究ハブによって支援されました。
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).
