Tøjrede Bilayer Lipid Membraner til at overvåge varmeoverførsel mellem Gold Nanopartikler og Lipid Membraner
Summary
Dette arbejde skitserer en protokol for at opnå dynamisk, ikke-invasiv overvågning af varmeoverførsel fra laserbestrålede guld nanopartikler til tBLMs. Systemet kombinerer impedansspektroskopi til realtidsmåling af ledningsændringer på tværs af tBLMs, med en vandret fokuseret laserstråle, der driver guld nanopartikler belysning, til varmeproduktion.
Abstract
Her rapporterer vi en protokol til at undersøge varmeoverførslen mellem bestrålede guld nanopartikler (GNPs) og bilayer lipid membraner ved elektrokemi ved hjælp af tøjret bilayer lipid membraner (tBLMs) samlet på guld elektroder. Bestrålede modificerede GNP’er, såsom streptavidin-konjugerede GNP’er, er indlejret i tBLMs, der indeholder målmolekyler, såsom biotin. Ved at bruge denne tilgang medieres varmeoverførselsprocesserne mellem bestrålede GNP’er og model bilayer lipidmembran med interesseenheder af en vandret fokuseret laserstråle. Den termiske prædiktive beregningsmodel bruges til at bekræfte de elektrokemisk inducerede ledningsændringer i tBLMs. Under de særlige forhold, der blev anvendt, krævede detektering af varmeimpulser specifik fastgørelse af guldnanopartiklerne til membranoverfladen, mens ubundne guldnanopartikler ikke kunne fremkalde et målbart svar. Denne teknik fungerer som en kraftfuld detektion biosensor, som kan udnyttes direkte til design og udvikling af strategier for termiske behandlinger, der tillader optimering af laser parametre, partikelstørrelse, partikelbelægninger og sammensætning.
Introduction
Den hypertermiske ydeevne af bestrålede guld nanomaterialer tilbyder en ny klasse af minimalt invasiv, selektiv, målrettet behandling for infektioner og tumorer1. Ansættelsen af nanopartikler, der kan opvarmes af en laser, er blevet brugt til selektivt at ødelægge syge celler samt give et middel til selektiv lægemiddellevering2,3. En konsekvens af fototermikfænomenerne af opvarmede plasmonic nanopartikler er skader på cellemembranerne. Væsken lipid bilayer membran betragtes som et særligt sårbart sted for celler, der gennemgår sådanne behandlinger, fordi denaturering af iboende membranproteiner samt membranskader også kan føre til celledød4, da mange proteiner er der for at opretholde den ioniske potentielle gradient på tværs af cellemembraner. Selv om evnen til at bestemme og overvåge varmeoverførsel på nanoskalaen er af afgørende interesse for undersøgelse og anvendelse af bestrålede GNP’er1,5,6,7, vurdering og forståelse af de molekylære interaktioner mellem GNP’er og biomembraner samt de direkte konsekvenser af de laserinducerede opvarmningsfænomener af indlejrede GNP’er i biologisk væv, er endnu ikke fuldt belyst8. Derfor er en grundig forståelse af hypertermiprocessen med bestrålede GNP’er fortsat en udfordring. Som sådan kan udviklingen af en nanomaterialeelektrodegrænseflade, der efterligner cellernes naturlige omgivelser, være et middel til at foretage en tilbundsgående undersøgelse af varmeoverførselsegenskaberne for bestrålede guldnanopartikler i biologiske systemer.
Kompleksiteten af indfødte cellemembraner er en af de betydelige udfordringer i forståelsen af de bestrålede GNPs interaktioner i celler. Der har været forskellige kunstige membran platforme udviklet til at give tætte enkle bio-mimetiske versioner af naturlige lipid membran arkitektur og funktionalitet, herunder, men ikke begrænset til, sorte lipid membraner9, understøttet planar bilayer membraner10, hybrid bilayer membraner11, polymer-polstret lipid bilayer membraner12 og tøjret bilayer lipid membraner13. Hver kunstig lipidmembranmodel har klare fordele og begrænsninger med hensyn til at efterligne de naturlige lipidmembraner14.
Denne undersøgelse beskriver anvendelsen af lipidmembranbelagte elektroder som en sensor til vurdering af guldnanopartikler og lipidmembraninteraktioner ved hjælp af tBLM-modellen. Den tBLM-baserede biosensordetekteringsordning giver iboende stabilitet og følsomhed13, da tøjrede membraner kan selvreparere, i modsætning til andre systemer (såsom membraner dannet af patch-clamp eller liposomer), hvor kun en lille mængde membranskader resulterer i deres sammenbrud15,16,17,18. Endvidere, fordi tBLMs er af mm2 dimensioner, baggrunden impedans er størrelsesordener lavere end patch-clamp optagelse teknikker, som muliggør en registrering af ændringer i basal membran ioniske flux på grund af nanopartikler interaktioner. Som et resultat af dette kan den nuværende protokol kontrastændringer i membranledningsevnen ved bundne GNP’er, der er ophidset af lasere, hvis kræfter er så lave som 135 nW /μm2.
Systemet præsenteres her giver en følsom og reproducerbar metode til bestemmelse af præcise laser parametre, partikelstørrelse, partikelbelægninger og sammensætning er nødvendige for at designe og udvikle termiske behandlinger. Dette er afgørende for forfinelsen af nye fototermiske behandlinger samt for at give værdifulde oplysninger til detaljerede mekanismer for varmeoverførsel inden for biologiske systemer. Den præsenterede protokol er baseret på tidligere offentliggjort arbejde19. En oversigt over protokollen er som følger: det første afsnit definerer tBLM-formationen; I det andet afsnit beskrives, hvordan du konstruerer opsætningen og justerer excitationslaserkilden. Det sidste afsnit illustrerer, hvordan du kan udtrække oplysninger fra de elektriske impedansspektroskopidata.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne protokol beskriver brugen af tBLM-model med et coplanar elektrodesubstrat i forbindelse med en vandret laserjustering, der er oprettet, der muliggør realtids elektrisk impedansregistrering som reaktion på laserbestråling af guldnanopartikler. Metoden til EIS-optagelse, der præsenteres her, konstruerer en minimal liste over eksperimenter, der er nødvendige for at give registrering af ionstrømsændringer på tværs af membranen, hvilket svarer til den varme, der genereres af den…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af 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).
