A protocol for the synthesis and cationization of cobalt-doped magnetoferritin is presented, as well as a method to rapidly magnetize stem cells with cationized magnetoferritin.
العديد من التطبيقات الطبية الحيوية الهامة، مثل التصوير الخلية والتلاعب عن بعد، ويمكن تحقيق ذلك عبر تسمية الخلايا مع مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic جزيئات أكسيد الحديد (SPIONs). تحقيق امتصاص الخلوية كاف من SPIONs هو التحدي الذي تقليديا التقى خلال تعريض الخلايا لتركيزات مرتفعة من SPIONs أو عن طريق إطالة التعرض مرات (تصل إلى 72 ساعة). ومع ذلك، من المرجح أن توسط سمية هذه الاستراتيجيات. هنا، نقدم تلخيصا للSPION magnetoferritin القائم على البروتين وكذلك سطحي بروتوكول functionalization سطح تمكن مغنطة خلية السريعة باستخدام تركيزات التعرض المنخفضة. جوهر SPION من magnetoferritin يتكون من مخدر الكوبالت أكسيد الحديد مع متوسط قطرها الجسيمات من تمعدن 8.2 نانومتر داخل تجويف الطحال الحصان APO-الفيريتين. cationization الكيميائي للmagnetoferritin أنتج رواية، عالية غشاء نشط SPION أن ممغنط خلايا اللحمة المتوسطة البشري الجذعية (hMSCs) باستخدام حضانة مرات كماباختصار كما دقيقة واحدة والحديد تركيزات كما أدنى مستوياته 0.2 ملم.
وقد مكن ملزمة السطح أو استيعاب مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic جزيئات أكسيد الحديد (SPIONs) مغنطة من مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا لتطبيقات مثل التصوير والتلاعب بعيد. 1 ومع ذلك، تحقيق كافية مغنطة الخلوية يمكن أن يشكل تحديا، خاصة عندما يكون التفاعل بين SPION وسطح الخلية ضعيفة. 2 في الماضي، والتعرض لفترات طويلة أو SPION ارتفاع تركيزات استخدمت بوصفها استراتيجيات للتغلب على هذا التحدي. 3،4 ومع ذلك، فإن هذه الاستراتيجيات هي إشكالية لأنها تزيد سمية 5،6 ولها نجاح محدود جدا في أنواع الخلايا مع معدلات الاستيعاب المنخفضة، مثل الخلايا اللمفية. 7 لتعزيز امتصاص الخلوية من SPIONs، وقد تم استكشاف نهج functionalization العديد من السطح. على سبيل المثال، تم استخدام الأجسام المضادة لتعزيز الإلتقام مستقبلات بوساطة، 8 في حين امتصاص غير محددة يمكن تحقيقه باستخدام ترنسفكأيشن لأيها السادة 9،10 أو الأنواع اختراق الخلية، مثل فيروس نقص المناعة البشرية المتبادل الببتيد. 11،12 ومع ذلك، النهج الأجسام المضادة وfunctionalization الببتيد محدودة بسبب الكواشف مكلفة وإعداد الاصطناعية معقدة، في حين أن وكلاء ترنسفكأيشن يمكن أن تحدث جسيمات متناهية الصغر هطول الأمطار ويؤثر سلبا على وظائف الخلية. 13،14
بلغنا مؤخرا تركيب magnetoferritin cationized كيميائيا، وهو SPION الرواية التي كانت فعالة للغاية في الخلايا الجذعية الوسيطة الإنسان الممغنطة (hMSCs) باستخدام الأوقات حضانة قصيرة قدر دقيقة واحدة. ويتم تصنيع 15 Magnetoferritin خلال إعادة تأسيس وSPION داخل تجويف دي المعادن من البروتين الفريتين تخزين الحديد. 16 هذا SPION البروتين على أساس يجمع بين العديد من الخصائص التي تجعل من مناسبة تماما لمغنطة الخلية، مثل السيطرة على الخواص المغناطيسية للقلب المغناطيسي، 17-19 وتوافق مع الحياة والذوبان المائي التي تمنحها قذيفة البروتين. إضافيأكثر من ذلك، ويتحقق functionalization سطح بسهولة بسبب الأحماض الأمينية عنونة التي يمكن أن تكون كيميائيا 20-22 أو المعدلة وراثيا. 23-25 أظهرنا أن cationization الكيميائي للمخلفات الأحماض الأمينية الحامضية للقذيفة البروتين يولد جسيمات متناهية الصغر المستقرة التي تفاعلت بسهولة مع المجالات الأيونية على سطح الخلية مما يؤدي إلى مغنطة خلية السريعة والمستمرة. هذا الإجراء يلغي الحاجة لfunctionalization شاقة والبروتوكولات حضانة طويلة، وذلك بسبب آلية وضع العلامات غير محددة هذه الاستراتيجية مغنطة السريعة ينبغي أن تجد تطبيق واسعة الانتشار في أنواع الخلايا الأخرى. هنا، نقدم في عمق تقرير فائقة السرعة طريقة خلية وصفها، بما في ذلك بروتوكولات مفصلة من التوليف، وتنقية وسطح functionalization من magnetoferritin cationized.
تيم العينات magnetoferritin ملطخة أوروثيوغلوكوز كشف تمعدن الناجح لالنانوية داخل القفص البروتين. وأشار الإلكترون حيود وتحليل رامان من جوهر جسيمات متناهية الصغر وجود الفريت الكوبالت، مشيرا إلى المنشطات بنجاح جوهر جسيمات متناهية الصغر مع الكوبالت. هذا يدل على أن الجسيمات النانوية أكسيد مختلط يمكن أن يكون بنجاح المعادن داخل تجويف APO فيريتين. وعلاوة على ذلك، لقد أظهرنا سابقا أن المنشطات الكوبالت يمكن أن تختلف عن طريق تغيير كمية من السلائف الكوبالت تضاف إلى خليط التفاعل، والتي تمكن ضبط الخواص المغناطيسية. 18
التوليف Magnetoferritin لا يمكن أن يؤديها في مجموعة متنوعة من السفن، طالما أنهم بإحكام قابل للغلق ولديها منافذ الوصول من خلالها الكواشف يمكن إدخال (على سبيل المثال، الرقبة ثلاثة دورق كروي). ينبغي الحفاظ على درجة حرارة التفاعل عند 65 درجة مئوية إما عن طريق وضع السفينة فيو/ حمام الزيت الماء أو باستخدام السفن المزدوج جاكت. هنا، استخدمنا الإعداد خلية كهروكيميائية المزدوج جاكت لأداء التوليف. لضمان التوليف الناجح، والحفاظ على درجة الحموضة الصحيحة وتجنب تلوث الأكسجين من المحاليل المائية أمر بالغ الأهمية. ينبغي أن يكون دائما على استعداد حلول الملح المعدني مسبق طازجة للاستخدام وليس في وقت مبكر. وعلاوة على ذلك، يمكن للحلول صميم الفريتين التجارية تختلف من حيث الجودة ويؤثر على نتيجة التوليف (على سبيل المثال، حجم جسيمات متناهية الصغر المتمعدنة الأساسية). يمكن أن يساعد على dialyze الحل صميم الفريتين إلى 50 ملي العازلة HEPES (درجة الحموضة 8.6) قبل تركيب لإزالة أي عامل مختزل المتبقية المستخدمة من قبل الشركة المصنعة. ومن المفيد تقديم مذكرة من العدد دفعة من حل APO فيريتين تستخدم لتخليق، لذلك يمكن أن يطلب على وجه التحديد من أن الحاجة المادية الإضافية التي سيتم شراؤها من الشركة المصنعة. وعلاوة على ذلك، يجب ذكر تركيز البروتين المتوفرة تجاريا الفيريتين APO على الزجاجة، والتي يمكنيتم استخدامها لحساب حجم حل APO فيريتين اللازمة لتخليق. إذا لم تكن هذه هي الحالة، اتصل المورد لهذه المعلومات.
ميزة إضافة تدريجية من الأملاح المعدنية وبيروكسيد الهيدروجين – كما وردت هنا وفي التقارير السابقة – هي أن تمعدن جوهر جسيمات متناهية الصغر يمكن التحكم هذا أن العوامل تحميل مختلفة (أي أحجام جسيمات متناهية الصغر) لا يمكن أن يتحقق. 33 وعلاوة على ذلك، فمن الممكن لتنقية magnetoferritin باستخدام مزيد من عمود الفصل المغناطيسي، على سبيل المثال، عمود معبأة مع مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ المضمون داخل الكهربائي. 34 وهكذا، النوى جسيمات متناهية الصغر monodisperse للغاية ويمكن أن تكون معزولة من العينة magnetoferritin السائبة. ومع ذلك، لوصفها خلية المغناطيسي كما هو مبين هنا هذا غير مطلوب. وجود قيود على التوليف magnetoferritin هو منخفض نسبيا العائد تركيب حوالي 10٪، والتكلفة المرتفعة نسبيا للالتجاري APO-FEحلول rritin. ومع ذلك، APO-الفيريتين ويمكن أيضا أن تكون مستعدة من الطحال الحصان متاح بثمن بخس الفيريتين باتباع أنشئت البروتوكولات دي تمعدن. 16
وقد تحقق Cationization من magnetoferritin بإضافة نسبة المولي من 250 الجزيئات من DMPA و 50 جزيئات EDC في بقايا الشحنة السالبة (الحسابات على أساس تسلسل الأحماض الأمينية من الحصان الطحال الفيريتين). نتج هذا الفائض من كاشف على البروتين في الكفاءة cationization عالية وقابلة للمقارنة أيضا ذكرت سابقا النتائج للcationization من الفيريتين. 35 لأجل تحليل MALDI-TOF، صميم الفريتين وصميم الفريتين cationized استخدمت بسبب الكتلة الجزيئية المفرطة من جوهر magnetoferritin. أن تسفر الكفاءة cationization عالية، ودرجة الحموضة المثلى هي أيضا حاسمة. يشابك بوساطة EDC هو الأكثر فعالية في الظروف الحمضية أقل ما يقال، ووجدنا أن الرقم الهيدروجيني 5 أثمرت نتائج cationization الأمثل لmagnetoferritin. ومع ذلك، لبروتينات أخرى جقد تحتاج إلى أن يكون الأمثل ationization درجة الحموضة. وينبغي تجنب Cationization في أو بالقرب من نقطة تساوي الكهربائية من البروتين، لأن هذا قد يؤدي إلى هطول الأمطار الشديد.
وكانت الخلايا الجذعية مغنطة مع magnetoferritin cationized ذات كفاءة عالية، ويمكن أن يتحقق باستخدام حضانة مرات أقل بكثير من 30 دقيقة. أسفرت حتى دقيقة واحدة حضانة في محتوى الحديد الخلوي 3.6 خريج، والتي تقع ضمن نطاق ذكرت المطلوبة للتأثير T2 و T2 * المقابل للتصوير بالرنين المغناطيسي. 36،37 ومن الملاحظ أيضا أن يتحقق هذا الوسم الفعال مع تركيزات الحديد خارج الخلية منخفضة. على سبيل المثال، والدراسات السابقة باستخدام الجسيمات النانوية الأيونية تقرير مستويات الحديد من 10 خريج في الخلية بعد فترة حضانة لمدة 30 دقيقة مع 5 ملي الحديد. 38 وعلى سبيل المقارنة، الحضانة مع حل magnetoferritin cationized تحتوي على 0.5 ميكرومتر بروتين يناظر الحضانة مع حوالي 0.2 ملي الحديد وأيضا ينتج ما يقرب من 10 خريج من الحديد في سللتر بعد 30 دقيقة. لم نكن قادرين على تحديد واضح أي الحويصلات endocytotic باستخدام تيم. ومع ذلك، وجدت دراسات سابقة باستخدام الفيريتين cationized بأن التدخيل حدث خلال أول عشر دقائق من التعرض. يمكن أن تكون مترجمة 39،40 الفيريتين Cationized في الحويصلات المغلفة، مشيرا إلى الإلتقام clathrin- أو التي تعتمد على caveolin. وأفاد نفس الدراسات أيضا أنه بعد 30 دقيقة من الحضانة، الفيريتين cationized لا تزال موجودة على سطح الخلية، وكذلك في الهيئات عديد الحويصلات، تشبه الجسيمات الحالة.
ويمكن أن تشمل تطبيقات أخرى cationization أقفاص-APO فيريتين محملة النانوية أخرى و / أو جزيئات الوظيفية، مثل الأدوية المضادة للسرطان 41 أو 42 نقاط الكم. Cationization من هذه التركيبات الفيرتين يمكن أن يؤدي إلى تسليم أسرع وأكثر كفاءة من حمولتها إلى الخلايا.
The authors have nothing to disclose.
This work was financed through the Bristol Centre for Functional Nanomaterials, sponsored by the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC grant code EP/G036780/1).
4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES) | Fisher Scientific | BPE310-1 | powder; prepare a 1 M stock solution at pH 8.6 and dilute to 50 mM prior to use. Check the pH carefully prior to synthesis! |
apoferritin from equine spleen | Sigma Aldrich | A3641 | we used LOT# 081M7011V |
cobalt sulfate heptahydrate | Sigma Aldrich | C6768 | prepare fresh solutions from the salt prior to synthesis |
ammonium iron sulphate hexahydrate | Sigma Aldrich | F1543 | prepare fresh solutions from the salt prior to synthesis |
hydrogen peroxide solution (30%) | Sigma Aldrich | 216763 | prepare fresh solutions from the salt prior to synthesis |
sodium citrate | Sigma Aldrich | S1804 | powder; a 1 M solution can be prepared and kept at room temperature for several months |
Millex GP filter unit, 0.22 micron | Merck Millipore | SLGP033RS | syringe filter |
Trizma base | Sigma Aldrich | T1503 | powder; prepare a 1 M stock solution at pH 8.0 and dilute to 50 mM prior to use |
sodium chloride | Sigma Aldrich | 31434 | poweder; add to buffers as required |
Centriprep centrifugal filter units | Merck Millipore | 4310 | Ultracel YM-50 membrane, 12 mL volume; use for initial concentration until the magnetoferritin solution has been concentrated from about 150 mL to 20 mL |
Amicon Ultra-4 centrifugal filter untis | Merck Millipore | UFC801024 | Ultracel-10 membrane, 4 mL volume; use to concentrate magnetoferritin solution from about 20 mL to 2 mL |
ANX Sepharose 4 Fast Flow | GE Healthcare | 17-1287-04 | we packed this column ourselves |
HiPrep 26/60 Sephacryl S-300 HR column | GE Healthcare | 17-1196-01 | this column was bought ready packed |
ÄKTA purifier system | GE Healthcare | 28406264 | |
sample pump P-960 | GE Healthcare | 18-6727-00 | load sample at a flow rate of 10 mL/min |
automated fraction collector Frac-950 | GE Healthcare | 18-6083-00 | |
Bradford assay reagent | Sigma Aldrich | B6916 | solution ready to use |
Ferritin, Type I: from horse spleen | Sigma Aldrich | F4503 | prepare ferritin standards from this solution to determine magnetoferritin concentration |
N,N-dimethyl-1,3-propanediamine (DMPA) | Sigma Aldrich | 308110 | CAUTION: when adjusting the pH of a DMPA solution, perform this step in a fume hood |
N-(3-dimethylaminopropyl)-N’-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) | Sigma Aldrich | E6383 | keep in freezer but bring to room temperature before opening the bottle |
2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) | AppliChem | A0689,0500 | powder; prepare a 200 M stock solution at pH 5 |
dialysis tubing cellulose membrane | Sigma Aldrich | D9652 | soak 10 min in deionized water before use |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM), 1000 mg/L glucose | Sigma Aldrich | D5546 | warm in 37 °C water bath before use |
fetal bovine serum | Sigma Aldrich | F7524 | add to stock DMEM bottle, 10 % (v/v) final concentration |
penicillin/streptomycin solution | Sigma Aldrich | P0781 | add to stock DMEM bottle, 1 % (v/v) final concentration |
glutamax solution | Gibco | 35050-087 | add to stock DMEM bottle, 1 % (v/v) final concentration |
human fibroblast growth factor | PeproTech | 100-18B | add to DMEM freshly into cell culture flask with each media change; final concentration 5 ng/mL |
phosphate buffered saline | Sigma Aldrich | D8537 | sterile solution, for cell cultrue |
trypsin/EDTA solution | Sigma Aldrich | E5134 | keep in freezer and defrost in 37 °C water bath before use |
ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma Aldrich | E5134 | powder; make a 2 mM solution in PBS |
bovine serum albumin | Sigma Aldrich | A7030 | add 0.5 % (w/v) into 2 mM EDTA solution in PBS; carefully stir with magnetic stirrer, avoid foaming; filter sterilize through a 0.22 micron syringe filter |
MACS multi stand | Miltenyi Biotec | 130-042-303 | for attachment of MACS magnet |
MACS MS columns | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | disposable; intended for single use, but if sterility is not required, they can re-used: wash with deionized water and 100 % ethanol, and placed in a drying oven; discard if you observe rusty patches |
MiniMACS separator magnet | Miltenyi Biotec | 130-042-102 | can be bought as a starter kit, together with columns and stands |
MACS column pre-separation filter | Miltenyi Biotec | 130-041-407 | 30 mm filter |
Nitric acid solution, 64-66% | Sigma Aldrich | 7006 | |
Titrando 907, syringe pump | Metrohm | 2.907.0020 | |
Equipment used to characterize magnetoferritin and cationized magnetoferritin | |||
SpectraMax M5 | Molecular Devices | Used to measure absorbance in the Bradford assay | |
JEM 1200 EX | JEOL | Used for TEM imaging of magnetoferritin | |
InVia Raman spectrometer | Renishaw | Used for Raman spectroscopy | |
Torus DPSS laser | Laser Quantum | Used for Raman spectroscopy | |
Bruker UltrafleXtreme | Applied Biosystems | Used for MALDI-TOF analysis of apoferritin and cationized apoferritin | |
ZetaSizer Nano-ZS | Malvern Instruments | Used to measure hydrodynamic diameter and zeta potential of magnetoferritin and cationized magnetoferritin | |
Magnetic Property Measurement System | Quantum Design | Used to measure magnetic saturation moment and magnetic susceptibility | |
Magnetom Skyra | Siemens | Used to determine longitudinal and transverse relaxivity | |
Tecnai 12 BioTwin Spirit | FEI | Used for TEM imaging of hMSC labeled with cationized magnetoferritin | |
710 ICP-OES | Agilent | Used to determine iron content in cells |