Altın Nanopartiküller ve Lipid Membranları Arasındaki Isı Transferini İzlemek için Bağlı Bilayer Lipid Membranları
Summary
Bu çalışma, lazer ışınlanmış altın nanopartiküllerden tBLM’lere ısı transferinin dinamik, invaziv olmayan izlenmesini sağlamak için bir protokolü özetlemektedir. Sistem, tBLM’lerdeki iletkenlik değişikliklerinin gerçek zamanlı ölçümü için empedans spektroskopisini, ısı üretimi için altın nanopartikül aydınlatmasını yönlendiren yatay odaklı bir lazer ışını ile birleştirir.
Abstract
Burada, altın elektrotlar üzerine monte edilmiş bağlı bilayer lipid membranları (tBLM’ ler) kullanılarak elektrokimya ile ışınlanmış altın nanopartiküller (GNP’ler) ve bilayer lipid membranları arasındaki ısı transferini araştırmak için bir protokol bildiriyoruz. Streptavidin konjuge GNP’ler gibi ışınlanmış modifiye EDILMIŞ GNP’ler, biotin gibi hedef molekülleri içeren tBLM’lere gömülür. Bu yaklaşım kullanılarak, ışınlanmış GNP’ler ile ilgi çekici varlıklara sahip model bilayer lipid membran arasındaki ısı transfer işlemleri yatay odaklı bir lazer ışını ile aracılık eder. Termal tahmine dayalı hesaplama modeli, tBLM’lerdeki elektrokimyasal olarak indüklenen iletim değişikliklerini doğrulamak için kullanılır. Kullanılan özel koşullar altında, ısı darbelerinin algılanarak altın nanopartiküllerin membran yüzeyine özel olarak bağlanması gerekirken, ilişkisiz altın nanopartiküller ölçülebilir bir yanıt veremedi. Bu teknik, lazer parametrelerinin, partikül boyutunun, parçacık kaplamalarının ve bileşimin optimizasyonuna izin veren termal tedaviler için stratejilerin tasarımı ve geliştirilmesi için doğrudan kullanılabilecek güçlü bir algılama biyosensörü olarak hizmet eder.
Introduction
Işınlanmış altın nanomalzemelerin hipertermik performansı, enfeksiyonlar ve tümörler için minimal invaziv, seçici, hedefe yönelik yeni bir tedavi sınıfı sunar1. Bir lazer ile ısıtılabilen nanopartiküllerin istihdamı, hastalıklı hücreleri seçici olarak yok etmek ve seçici ilaç dağıtımı için bir araç sağlamak için kullanılmıştır2,3. Isıtılmış plazmonik nanopartiküllerin fototermoliz olgusunun bir sonucu hücre zarlarına zarar vermektir. Sıvı lipid bilayer membran, bu tür tedavilerden geçen hücreler için özellikle savunmasız bir bölge olarak kabul edilir, çünkü iç zar proteinlerinin deytürasyonu ve membran hasarı hücre ölümüne de yol açabilir4Hücre zarlarında iyonik potansiyel gradyanını korumak için birçok protein vardır. Nano ölçekte ısı transferini belirleme ve izleme yeteneği, ışınlanmış GNP’lerin1, 5,6,7,GNP’ler ve biyo-membranlar arasındaki moleküler etkileşimlerin değerlendirilmesi ve anlaşılmasının yanı sıra, gömülü GNP’lerin lazer kaynaklı ısıtma olaylarının biyolojik dokularda doğrudan sonuçlarının incelenmesi ve uygulanması için kilit öneme sahiptir, henüz tam olarakaydınlatılmamıştır 8. Bu nedenle, ışınlanmış GNP’lerin hipertermi sürecinin kapsamlı bir şekilde anlaşılması bir zorluk olmaya devam etmektedir. Bu nedenle, hücrelerin doğal çevresini taklit eden bir nanomalzeme elektrot arayüzünün geliştirilmesi, biyolojik sistemler içindeki ışınlanmış altın nanopartiküllerin ısı transfer özelliklerinin derinlemesine araştırılması için bir araç sağlayabilir.
Yerel hücre zarlarının karmaşıklığı, hücrelerdeki ışınlanmış GNP etkileşimlerini anlamada önemli zorluklardan biridir. Doğal lipid membran mimarisinin ve işlevselliğinin yakın basit biyo-mimetik versiyonlarını sağlamak için geliştirilen çeşitli yapay membran platformları olmuştur, dahil, ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere, siyah lipid membranlar9, desteklenen düzlemsel bilayer membranlar10,hibrid bilayer membranlar11,polimer yastıklı lipid bilayer membranlar12 ve bağlı bilayer lipid membranlar13. Her yapay lipid membran modeli, doğal lipid zarlarını taklit etme konusunda farklı avantajlara ve sınırlamalara sahiptir14.
Bu çalışmada, tBLM modelini kullanarak altın nanopartikül ve lipid membran etkileşimlerini değerlendirmek için bir sensör olarak lipid membran kaplı elektrotların istihdamı açıklanmaktadır. TBLM tabanlı biyosensör algılama şeması, bağlı membranların kendi kendini onarabildiği için doğal stabilite ve hassasiyet13 sağlar, diğer sistemlerin aksine (yama kelepçesi veya lipozomlar tarafından oluşturulan membranlar gibi) sadece az miktarda membran hasarı çökmelerine neden olur15,16,17,18. Ayrıca, tBLM’ler mm2 boyutlarında olduğundan, arka plan empedansı, nanopartikül etkileşimleri nedeniyle bazal membran iyonik akıdaki değişikliklerin kaydedilmesine olanak sağlayan yama kelepçesi kayıt tekniklerinden daha düşük büyüklükteki siparişlerdir. Bunun bir sonucu olarak, mevcut protokol, güçleri 135 nW / μm2kadar düşük lazerler tarafından heyecanlanan bağlı GNP’ler tarafından membran iletiminde yapılan değişiklikleri karşıtlayabilir.
Burada sunulan sistem, termal tedavilerin tasarlanması ve geliştirilmesi için gereken hassas lazer parametrelerinin, partikül boyutunun, partikül kaplamalarının ve bileşimin belirlenmesi için hassas ve tekrarlanabilir bir yöntem sunmaktadır. Bu, ortaya çıkan fototermal tedavilerin iyileştirilmesi ve biyolojik sistemler içinde ayrıntılı ısı transferi mekanizmaları için değerli bilgiler sunmak için kritik öneme sahiptir. Sunulan protokol daha önce yayınlanan19. Protokolün ana hatları aşağıdaki gibidir: ilk bölüm tBLM oluşumunu tanımlar; ikinci bölümde kurulumun nasıl oluşturulanın ve heyecan lazer kaynağının nasıl hizalanması; son bölümde elektrik empedansı spektroskopisi verilerinden nasıl bilgi çıkarılacağı gösterilmektedir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, altın nanopartiküllerin lazer ışınlanmasına yanıt olarak gerçek zamanlı elektrik empedansı kaydını sağlayan yatay lazer hizalama ile birlikte komanar elektrot substratlı tBLM modelinin kullanımını açıklar. Burada sunulan EIS kayıt yöntemi, membran boyunca iyon akım değişikliklerinin kaydedilmesini sağlamak için gerekli olan ve birleştirilmiş lazer ve altın nanopartikül etkileşiminin ürettiği ısıya karşılık gelen minimum bir deney listesi …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Avustralya Araştırma Konseyi (ARC) Keşif Programı (DP150101065) ve Düşük Seviyelerde (IDEAL) Son Kullanıcı Analizi için Entegre Cihaz için ARC Araştırma Merkezi (IH150100028) tarafından desteklendi.
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).
