تركيب وتوصيف جسيمات نانوية الذهب أمفيفيليك
Summary
يمكن استخدام جسيمات نانوية من الذهب الأمبيرفيلي في العديد من التطبيقات البيولوجية. يتم تقديم بروتوكول لتجميع جسيمات الذهب النانوية المغلفة بخليط ثنائي من الليجاند ووصف مفصل لهذه الجسيمات.
Abstract
وقد درست على نطاق واسع الجسيمات النانوية الذهب المغطاة بخليط من 1-أوكتانثيول (OT) و11-ميركابتو-1-undecane حمض السلفونيا (MUS) بسبب تفاعلاتها مع أغشية الخلايا، وثنائيي الطبقات الدهون، والفيروسات. الليجانز المائي جعل هذه الجزيئات مستقرة بشكل الغروية في حلول مائية والجمع مع ligands hydrophobic يخلق جسيم أمفيفيليك التي يمكن تحميلها مع الأدوية رهاب الماء، والصمامات مع أغشية الدهون، ومقاومة غير محددة الامتزاز البروتين. العديد من هذه الخصائص تعتمد على حجم الجسيمات النانوية وتكوين قذيفة ليغان. ولذلك، من الأهمية بمكان أن يكون هناك أسلوب اصطناعي قابل للاستنساخ وتقنيات توصيف موثوق بها تسمح بتحديد خصائص الجسيمات النانوية وتكوين قشرة الليغان. هنا، يتم عرض الحد من المواد الكيميائية في مرحلة واحدة، تليها تنقية شاملة لتجميع هذه الجسيمات النانوية بأقطار أقل من 5 نانومتر. ويمكن ضبط النسبة بين الليبين على سطح الجسيمات النانوية من خلال نسبة قياس الجسيمات التي تستخدم أثناء التوليف. نحن نبين كيف يتم الجمع بين تقنيات روتينية مختلفة، مثل المجهر الإلكتروني الإرسال (TEM)، والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، والتحليل الحراري (TGA)، والقياس الطيفي للأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV-Vis)، بشكل شامل وصف المعلمات الفيزيائية الكيميائية للجسيمات النانوية.
Introduction
يمكن تصميم قذيفة الجسيمات النانوية الذهبية لتعرض العديد من الخصائص المختلفة التي يمكن تطبيقها لمواجهة التحديات في الطب الحيوي1،2،3،4. تسمح هذه البراعة بالتحكم في التفاعلات الجزيئية بين الجسيمات النانوية والجزيئات الحيوية5و6و7 . تلعب الهيدروفوبيا والشحن دورا حاسما، فضلا عن المعلمات السطحية الأخرىالتي تؤثر على كيفية تفاعل الجسيمات النانوية مع الجزيئات الحيوية 5،8،9. لضبط الخصائص السطحية للجسيمات النانوية، فإن اختيار جزيئات الثيولات التي تشكل قذيفة الليجان يوفر عددًا لا يحصى من الاحتمالات، وفقًا للخصائص المطلوبة. على سبيل المثال، خليط من جزيئات الليجاند مع hydrophobic والماء (علىسبيلالمثال، مشحونة) مجموعات نهاية غالبا ما تستخدم لتوليد الجسيمات النانوية أمفيفيليك10،11.
أحد الأمثلة البارزة على هذا النوع من الجسيمات النانوية محمي بخليط من OT و MUS (ويسمى فيما بعد الجسيمات النانوية MUS:OT) التي ثبت أنها تمتلك العديد من الخصائص ذات الصلة12،13،14. أولا، مع تكوين قذيفة ليجان من 66٪ من MUS (فيما يلي 66:34 MUS:OT)، والاستقرار الغرواني للجسيمات النانوية عالية، وتصل إلى 33٪ في الوزن في الماء منزوع الديون، وكذلك في الفوسفات المخزنة المالحة (1X، 4 mM الفوسفات، 150 M كلوريد الصوديوم)15. وعلاوة على ذلك، فإن هذه الجزيئات لا تترسب في قيم منخفضة نسبيا ً في درجة الألف: على سبيل المثال، عند درجة الألف الـ 2.3 وتركيز الملح من 1 م كلوريد الصوديوم15، تظل هذه الجسيمات النانوية مستقرة بشكل الغروية لعدة أشهر. نسبة stoichiometric بين الجزيئات اثنين على قذيفة ليغان مهم لأنه يملي الاستقرار الغرواني في الحلول مع قوة ايونية عالية16.
وقد ثبت أن هذه الجزيئات اجتياز غشاء الخلية دون porating ذلك، عن طريق مسار مستقل عن الطاقة1،12. الدمج التلقائي بين هذه الجزيئات وثنائيات الدهون يكمن وراء انتشارها من خلال أغشية الخلايا17. والآلية التي تقوم عليها هذه التفاعلات هي تقليل الاتصال بين منطقة سطحية يمكن الوصول إليها بالمذيبات وجزيئات الماء عند الانصهار مع الطبقات الليفية18. بالمقارنة مع جميع الجسيمات النانوية MUS (الجسيمات النانوية التي لا تحتوي إلا على الليغان MUS على قذيفة)، فإن ارتفاع هيدروفوبيليتي على الجسيمات النانوية مختلطة MUS:OT (على سبيل المثال، في تركيب ة ية 66: 34) يزيد من مدى قطر النواة التي يمكن أن تصهر مع الدهون 18ثنائي الطبقات . ترتبط منظمات التجميع الذاتي المختلفة للقشرة الليجانبية بوسائط ربط متميزة من 66:34 MUS:OT جسيمات نانوية مع بروتينات مختلفة، مثل الزلال وأوبيكيتين، بالمقارنة مع جميع الجسيمات موس19. في الآونة الأخيرة، أفيد أن 66:34 MUS:OT الجسيمات النانوية يمكن استخدامها كعامل مضاد للفيروسات واسعة الطيف الذي يدمر بشكل لا رجعة فيه الفيروسات بسبب الربط الكهروستاتيكي متعددة التكافؤ من الوصلات MUS ووصلات غير محلية من ligands OT إلى capsid البروتينات14. في كل هذه الحالات، وقد وجد أن المحتوى المسعور، فضلا عن الحجم الأساسي للجسيمات النانوية، يحدد كيفية حدوث هذه التفاعلات الحيوية والنانو. وقد دفعت هذه الخصائص المتنوعة للجسيمات النانوية MUS:OT العديد من دراسات المحاكاة الحاسوبية التي تهدف إلى توضيح الآليات التي تقوم عليها التفاعلات بين جزيئات MUS:OT والهياكل البيولوجية المختلفة مثل الدهون بييليس20.
إعداد الجسيمات النانوية AU المحمية من قبل MUS:OT يطرح بعض التحديات. أولا، فإن الليجان المشحونة (MUS) وligand hydrophobic (OT) غير قابلة للتخسيس. وبالتالي، فإن قابلية الذوبان للجسيمات النانوية والربطات تحتاج إلى أن تؤخذ في الاعتبار في جميع مراحل التوليف، وكذلك أثناء التوصيف. بالإضافة إلى ذلك، فإن نقاء جزيئات الليجان الموس – وتحديداً، محتوى الأملاح غير العضوية في مواد البداية – يؤثر على الجودة، وإمكانية التكاثر، فضلاً عن استقرار الجسيمات النانوية على المدى القصير والطويل.
هنا، يتم تحديد توليف وتوصيف مفصل لهذه الفئة من الجسيمات النانوية الذهب أمفيفيليك المحمية بمزيج من MUS وOT. وهناك بروتوكول لتوليف الليغان ة ية الزبالة السالبة هو أن يضمن النقاء وبالتالي، إمكانية استنساخ مختلف الجسيمات النانوية. ثم، يتم الإبلاغ عن الإجراء لتوليد هذه الجسيمات النانوية، استنادا إلى توليف ة في مرحلة واحدة، تليها تنقية شاملة، بالتفصيل. وقد تم الجمع بين مختلف تقنيات التوصيف الضرورية21،مثل TEM، UV-Vis، TGA، و NMR، للحصول على جميع المعلمات اللازمة لأي تجارب بيولوجية أخرى.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول أولاً توليف الـ MUS ligand، ثم تركيب وتوصيف جسيمات نانوية الذهب MUS:OT. توليف MUS مع الحد الأدنى من محتوى الملح تمكن موثوقية أفضل من نسبة stoichiometric بين ligands خلال تخليق الجسيمات النانوية، وهو عامل رئيسي للتوليف استنساخ الجسيمات النانوية MUS:OT مع هدف hydrophobic المحتوى (الشكل 8</…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G. وF.S. أشكر المؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم، وعلى وجه التحديد، NCCR ‘هندسة النظم الجزيئية’. ويشكر كل من ز. ل. وإف.س. على دعم منحة القسم الثاني من المؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم. يشكر جميع المؤلفين كوي أونج على المناقشات المثمرة وعلى تصحيح المخطوطة.
Materials
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| Separatory funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
References
- Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
- Yeh, Y. -. C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
- Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
- Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , (2014).
- Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
- Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
- Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
- Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
- Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
- Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
- Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
- Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
- Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
- Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
- Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
- Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
- Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
- Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
- Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
- Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
- Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
- Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
- Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
- Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).
