Tethered Bilayer Lipid membraner for å overvåke varmeoverføring mellom gull nanopartikler og lipidmembraner
Summary
Dette arbeidet skisserer en protokoll for å oppnå dynamisk, ikke-invasiv overvåking av varmeoverføring fra laserbestrålede nanopartikler i gull til tBLMer. Systemet kombinerer impedansspektroskopi for sanntidsmåling av ledningsendringer på tvers av tBLM-ene, med en horisontalt fokusert laserstråle som driver gull nanopartikkelbelysning, for varmeproduksjon.
Abstract
Her rapporterer vi en protokoll for å undersøke varmeoverføringen mellom bestrålede gull nanopartikler (GNPer) og bilayer lipidmembraner ved elektrokjemi ved hjelp av tethered bilayer lipidmembraner (tBLMer) montert på gullelektroder. Bestrålede modifiserte GNPer, som streptavidin-konjugerte GNPer, er innebygd i tBLMer som inneholder målmolekyler, for eksempel biotin. Ved å bruke denne tilnærmingen formidles varmeoverføringsprosessene mellom bestrålede GNPer og modell bilayer lipidmembran med interesseenheter av en horisontalt fokusert laserstråle. Den termiske prediktive beregningsmodellen brukes til å bekrefte de elektrokjemisk induserte ledningsendringene i tBLMene. Under de spesifikke forholdene som ble brukt, krevde det å oppdage varmepulser spesifikk festing av gull nanopartiklene til membranoverflaten, mens ubundne gull nanopartikler ikke klarte å fremkalle en målbar respons. Denne teknikken fungerer som en kraftig deteksjonsbiosensor som direkte kan brukes til design og utvikling av strategier for termiske terapier som tillater optimalisering av laserparametere, partikkelstørrelse, partikkelbelegg og sammensetning.
Introduction
Den hypertermiske ytelsen til bestrålede gull nanomaterialer tilbyr en ny klasse av minimalt invasiv, selektiv, målrettet behandling for infeksjoner og svulster1. Sysselsettingen av nanopartikler som kan oppvarmes av en laser har blitt brukt til selektivt å ødelegge syke celler, samt gi et middel for selektiv legemiddellevering2,3. En konsekvens av fototermolysefenomener av oppvarmede plasmoniske nanopartikler er skade på cellemembranene. Væske lipidbilayermembranen regnes som et spesielt sårbart sted for celler som gjennomgår slike behandlinger fordi denaturering av iboende membranproteiner samt membranskader også kan føre til celledød4, da mange proteiner er der for å opprettholde den ioniske potensielle gradienten på tvers av cellemembraner. Mens evnen til å bestemme og overvåke varmeoverføring på nanoskala er av avgjørende interesse for studiet og anvendelsen av bestrålede GNPer1,5,6,7, vurdering og forståelse av molekylære interaksjoner mellom GNPer og biomembraner, samt de direkte konsekvensene av de laserinduserte oppvarmingsfenomenene til innebygde GNPer i biologisk vev, er ennå ikke fullt belyst8. Derfor er en grundig forståelse av hypertermiprosessen av bestrålede GNPer fortsatt en utfordring. Som sådan kan utviklingen av et nanomateriale-elektrodegrensesnitt som etterligner cellenes naturlige omgivelser gi et middel til å foreta en grundig undersøkelse av varmeoverføringsegenskapene til bestrålede gull nanopartikler innen biologiske systemer.
Kompleksiteten i innfødte cellemembraner er en av de betydelige utfordringene med å forstå de bestrålede BNP-interaksjonene i celler. Det har vært ulike kunstige membranplattformer utviklet for å gi nære enkle bio-mimetic versjoner av naturlig lipidmembranarkitektur og funksjonalitet, inkludert, men ikke begrenset til, svarte lipidmembraner9, støttede planar bilayermembraner10, hybride bilayermembraner11, polymer-polstrede lipidbilayermembraner12 og tethered bilayer lipidmembraner13. Hver kunstig lipidmembranmodell har klare fordeler og begrensninger med hensyn til å etterligne de naturlige lipidmembranene14.
Denne studien beskriver ansettelsen av lipidmembranbelagte elektroder som en sensor for å vurdere gull nanopartikkel- og lipidmembraninteraksjoner ved hjelp av tBLM-modellen. Den tBLM-baserte biosensordeteksjonsordningen gir iboende stabilitet og følsomhet13, da tethered membraner kan reparere seg selv, i motsetning til andre systemer (for eksempel membraner dannet av patch-clamp eller liposomer) der bare en liten mengde membranskader resulterer i kollapsen15,16,17,18. Videre, fordi tBLMs er av mm2 dimensjoner, er bakgrunnsimpedansen størrelsesorden lavere enn patch-clamp opptaksteknikker, noe som muliggjør registrering av endringer i basalmembranionisk flux på grunn av nanopartikkelinteraksjoner. Som et resultat av dette kan den nåværende protokollen kontrastere endringer i membranledning ved bundne BNP-er som er begeistret av lasere hvis krefter er så lave som 135 nW / μm2.
Systemet som presenteres her gir en sensitiv og reproduserbar metode for å bestemme presise laserparametere, partikkelstørrelse, partikkelbelegg og sammensetning som trengs for å designe og utvikle termiske terapier. Dette er avgjørende for raffinering av nye fototermale terapier, samt å tilby verdifull informasjon for detaljerte mekanismer for varmeoverføring innen biologiske systemer. Den presenterte protokollen er basert på tidligere publisert arbeid19. En oversikt over protokollen er som følger: den første delen definerer tBLM-formasjonen; Den andre delen skisserer hvordan du konstruerer oppsettet og justerer eksitasjonslaserkilden; Den siste delen illustrerer hvordan man trekker ut informasjon fra de elektriske impedansspektroskopidataene.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokollen beskriver bruken av tBLM-modellen med et coplanar elektrode-substrat i forbindelse med et horisontalt laserjusteringsoppsett som muliggjør elektrisk impedansopptak i sanntid som svar på laserbestråling av gullnanopartikler. Metoden for EIS-opptak presentert her konstruerer en minimal liste over eksperimenter som er nødvendige for å gi opptak av ionstrømendringer over membranen, noe som tilsvarer varmen som genereres av den koblede laser- og gull nanopartikkelintera…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Australian Research Council (ARC) Discovery Program (DP150101065) og 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).
