親和性金ナノ粒子の合成と特性化
Summary
親和性金ナノ粒子は、多くの生物学的用途で使用することができる。リガンドのバイナリ混合物によって被覆された金ナノ粒子を合成するプロトコルと、これらの粒子の詳細な特徴付けが提示される。
Abstract
1-オクタネチオール(OT)と11-メルカプト-1-アンデカンスルホン酸(MUS)の混合物で覆われた金ナノ粒子は、細胞膜、脂質二重層、およびウイルスとの相互作用のために広範囲に研究されている。親水性リガンドは、これらの粒子を水溶液中でコロイド状に安定させ、疎水性リガンドとの組み合わせは、疎水性薬物を搭載し、脂質膜と融合し、非特異的に抵抗することができる両生性粒子を作成しますタンパク質吸着。これらの特性の多くは、ナノ粒子サイズおよびリガンドシェルの組成に依存する。したがって、ナノ粒子特性およびリガンドシェル組成物の決定を可能にする再現性の合成方法および信頼性の高い特性化技術を有することが重要である。ここで、1相化学的還元、続いて5nm未満の直径でこれらのナノ粒子を合成する徹底的な精製が提示される。ナノ粒子の表面上の2つのリガンド間の比率は、合成時に使用されるそれらの修弁量比を介して調整することができる。透過電子顕微鏡(TEM)、核磁気共鳴(NMR)、熱グラビメトリック解析(TGA)、紫外線可視(UV-Vis)分光法など、様々なルーチン技術を総合的に組み合わせる方法を示します。ナノ粒子の物理化学的パラメータを特徴付けする。
Introduction
金ナノ粒子のリガンドシェルは、生物医学1、2、3、4の課題に対処するために適用することができるいくつかの異なる特性を示すために設計することができる。このような汎用性は、ナノ粒子と生体分子5、6、7との間の分子間相互作用の制御を可能にする。疎水性と電荷は、ナノ粒子が生体分子5、8、9と相互作用する方法に影響を与える他の表面パラメータと同様に、決定的な役割を果たす。ナノ粒子の表面特性を調整するために、リガンドシェルを構成するチオレート分子の選択は、求められる特性に応じて無数の可能性を提供します。例えば、疎水性および親水性を有するリガンド分子の混合物(例えば、荷電)末結基は、多くの場合、親水性ナノ粒子10、11を生成するために使用される。
このタイプのナノ粒子の顕著な例は、多くの関連する特性12、13、14を有することが示されているOTおよびMUS(以下、MUS:OTナノ粒子と呼ばれる)の混合物によって保護される。まず、66%MUS(以下、66:34 MUS:OT)のリガンドシェル組成物を使用すると、ナノ粒子のコロイド安定性が高く、脱イオン水中の重量が最大33%に達し、リン酸緩衝生理食液(1x、4mMリン酸塩、150mM NaCl)15に達する。さらに、これらの粒子は比較的低いpH値で沈殿しない:例えば、pH2.3および1M NaCl15の塩濃度で、これらのナノ粒子は数ヶ月間コロイド状に安定したままである。リガンドシェル上の2つの分子間の検体比は、高いイオン強度16を有する溶液中のコロイド安定性を決定するので重要である。
これらの粒子は、エネルギーに依存しない経路1、12を介して、それをポーティングすることなく細胞膜を横断することが示されている。これらの粒子と脂質二層層との間の自発的な融合は、細胞膜17を介したそれらの拡散性の下にある。この相互作用の背後にあるメカニズムは、脂質二層層との融合時の疎水性溶媒アクセス可能な表面積と水分子との接触の最小化である18.全MUSナノ粒子(シェル上にMUSリガンドのみを有するナノ粒子)と比較して、混合MUS:OTナノ粒子(例えば、66:34 MUS:OT組成物)の高い疎水性は、脂質と融合できるコア径のスパンを増加させるバイレイヤー18.リガンドシェルの異なる自己組集合組織は、全MUS粒子19と比較した場合、アルブミンおよびユビキチンなどの様々なタンパク質を持つ66:34 MUS:OTナノ粒子の異なる結合モードに相関する。近年、66:34 MUS:OTナノ粒子は、MUSリガンドの多価静電結合およびOTリガンドの非局所結合によりウイルスを不可逆的に破壊する広範囲の抗ウイルス剤として利用できることが報告されている。タンパク質14.いずれの場合も、疎水性含有量、ならびにナノ粒子のコアサイズが、これらのバイオナノ相互作用がどのように起こるかを決定することがわかった。MUS:OTナノ粒子のこれらの多様な特性は、MUS:OT粒子と脂質二層層20などの様々な生物学的構造との相互作用を支えるメカニズムを明らかにすることを目的とした多くのコンピュータシミュレーション研究を促している。
MUS:OT保護Auナノ粒子の調製は、いくつかの課題を提起します。まず、帯電リガンド(MUS)と疎水性リガンド(OT)は不一致である。したがって、ナノ粒子およびリガンドの溶解性は、合成全体、ならびに特性化中に考慮する必要があります。さらに、MUSリガンド分子の純度、特に出発物質中の無機塩の含有量は、ナノ粒子の品質、再現性、ならびに短期的および長期的なコロイド安定性に影響を与えます。
ここでは、MUSとOTの混合物によって保護されたこのクラスの両生球性金ナノ粒子の詳細な合成および特徴付けについて概説する。負に帯電したMUSリガンドの合成のためのプロトコルは、純度を確保し、したがって、異なるナノ粒子合成の再現性を確保するために報告される。次いで、これらのナノ粒子を生成する手順を、一般的な1相合成に基づいて、続いて徹底的な精製を行い、詳細に報告される。TEM、UV-Vis、TGA、およびNMRなどの種々の必要な特性解析技術21は、さらなる生物学的実験に必要なすべてのパラメータを得るために組み合わされている。
Protocol
Representative Results
Discussion
このプロトコルは、まずMUSリガンドの合成を記述し、次に、親和性MUS:OT金ナノ粒子の合成および特性を説明する。塩分含有量を最小限に抑えてMUSを合成することで、ナノ粒子合成時のリガンド間のストイチオメーション比の信頼性が向上し、これは標的疎水性を有するMUS:OTナノ粒子の再現性合成の重要な要素である。内容 (図8)MUSおよびOTの一般的な溶媒としてのメタノ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Z.P.G.とF.S.は、スイス国立科学財団、特にNCCRの「分子システム工学」に感謝しています。Z.L.とF.S.は、スイス国立科学財団部門II助成金の支援に感謝します。すべての著者は、実りある議論と原稿の校正のためにQuy Ongに感謝します。
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 |
Riferimenti
- 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).
