Goud nanorod-bijgestaan Optische Stimulatie van neuronale cellen
Summary
This protocol outlines how to use the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods to stimulate differentiation and intracellular calcium activity in neuronal cells. These results potentially open up new applications in neural prostheses and fundamental studies in neuroscience.
Abstract
Recent studies have demonstrated that nerves can be stimulated in a variety of ways by the transient heating associated with the absorption of infrared light by water in neuronal tissue. This technique holds great potential for replacing or complementing standard stimulation techniques, due to the potential for increased localization of the stimulus and minimization of mechanical contact with the tissue. However, optical approaches are limited by the inability of visible light to penetrate deep into tissues. Moreover, thermal modelling suggests that cumulative heating effects might be potentially hazardous when multiple stimulus sites or high laser repetition rates are used. The protocol outlined below describes an enhanced approach to the infrared stimulation of neuronal cells. The underlying mechanism is based on the transient heating associated with the optical absorption of gold nanorods, which can cause triggering of neuronal cell differentiation and increased levels of intracellular calcium activity. These results demonstrate that nanoparticle absorbers can enhance and/or replace the process of infrared neural stimulation based on water absorption, with potential for future applications in neural prostheses and cell therapies.
Introduction
Recente studies hebben aangetoond dat de tijdelijke verwarming verband met de absorptie van infrarood licht door water (golflengte> 1400 nm) kan worden gebruikt om actiepotentialen induceren in zenuwweefsel 1 en intracellulaire calcium in cardiomyocyten 2. Het gebruik van infrarood licht is verhoogd grote belangstelling voor toepassingen in neurale prothesen, vanwege het mogelijke fijnere ruimtelijke resolutie, geen direct contact met het weefsel, minimalisering van stimulatie artefacten, en verwijdering van de noodzaak genetisch wijzigen van de cellen voorafgaande aan stimulatie ( zoals vereist optogenetics) 1. Ondanks al deze voordelen, recent ontwikkelde thermische modellen gesuggereerd dat de beoogde weefsel / cellen kan worden beïnvloed door cumulatieve verwarming effecten, wanneer meerdere stimulus sites en / of hoge herhaling tarieven worden gebruikt 3,4.
In reactie op deze uitdagingen, hebben de onderzoekers de potentie om extrinsieke Opname in een erkendemers voor zenuwstimulatie om meer gelokaliseerde verwarming effecten in het weefsel te produceren. Huang et al. Demonstreerde dit beginsel met ferriet superparamagnetische nanodeeltjes op afstand activeren temperatuurgevoelige TRPV1 kanalen in HEK 293-cellen met een hoogfrequent magnetisch veld 5. Hoewel deze techniek kunnen toestaan diepere penetratie (magnetische velden interactie relatief zwak met tissue), werden de antwoorden enige geconstateerd gedurende perioden seconden, plaats de milliseconde duur vereist bionic apparaten 5. Evenzo Farah et al. Toonden elektrische stimulatie van rat corticale neuronen met gekleurde microdeeltjes in vitro. Zij toonden cel-niveau precisie bij stimulatie met behulp van pulsduren in de orde van honderden microseconden en energieën in het bereik van uJ, wat het mogelijk maakt voor een snellere herhaling tarieven 6.
Het gebruik van extrinsieke absorptiemiddelen ook toegepast inducerenmorfologische veranderingen in vitro. Ciofani et al. Toonden een stijging van ~ 40% in neuronale cel uitgroei behulp van piëzo-elektrische boronnitride nanobuisjes opgewonden door echografie 7. Zo hebben endocytose ijzeroxide nanodeeltjes in PC12-cellen is gerapporteerd neurieten differentiatie vergroten op een dosisafhankelijke wijze door de activatie van celadhesie moleculen het ijzeroxide 8.
Recentelijk is de belangstelling extrinsieke absorbers neurale stimulatie helpen ook gericht op het gebruik van nanodeeltjes van goud (Au NP). Au NPs hebben het vermogen om efficiënt te absorberen laserlicht op plasmonische piek en te dissiperen in de omgeving in de vorm van warmte 9. Onder alle beschikbare deeltje vormen, de optische absorptie van goud nanorods (Au NRs) gemakkelijk past het therapeutische venster van biologisch weefsel (nabij infrarood – NIR, golflengte van 750-1,400 nm) 10. Bovendien, in het vervolgext van neurale stimulatie, het gebruik van Au NRs biedt relatief gunstige biocompatibiliteit en een breed scala aan oppervlakte functionalisering opties 11. Recente studies hebben aangetoond dat een stimulerend effect op differentiatie kan worden geïnduceerd na continue laser blootstelling van Au NRs in NG108-15 neuronale cellen 12. Evenzo werden intracellulaire calcium opgenomen in neuronale cellen gekweekt met Au NRs na laserbestraling gemoduleerd met variabele frequentie en pulslengten 13. Cel membraandepolarisatie werd ook opgenomen na NIR laser verlichting van Au NRs in primaire, spiraal ganglion neuronen 14. De eerste in vivo toepassing met bestraalde Au NRs onlangs is aangetoond. Eom en medewerkers bloot Au NRs hun plasmon hoogtepunt en nam een zesvoudige toename van de amplitude van verbinding zenuw actiepotentialen (CNAPs) en een drie-voudige verlaging in de stimulatiedrempel bij ratten heupzenuwen. De nlEnhanced respons werd toegeschreven aan lokale verwarming effecten als gevolg van de excitatie van de NR plasmonische piek 15.
In de huidige papieren, zijn protocollen voor onderzoek naar de effecten van laser stimulatie in NG108-15 neuronale cellen gekweekt met Au NRs gespecificeerd. Deze methoden bieden een eenvoudige, maar krachtige manier om celpopulaties te bestralen in vitro met behulp van standaard biologische technieken en materialen. Het protocol is gebaseerd op een gevezelde laserdiode (LD) die veilige werking en herhaalbare uitlijning maakt. De Au NR monsterbereiding en laserbestraling werkwijzen kunnen verder worden uitgebreid tot verschillende deeltjesvormen en neuronale celkweken, mits de specifieke synthese en cultuur protocollen bekend, respectievelijk.
Protocol
Representative Results
Discussion
De in deze presentatie protocollen beschrijven hoe de cultuur, differentiëren en optisch stimuleren neuronale cellen met behulp van extrinsieke dempers. De NR kenmerken (bv afmetingen, vorm, plasmon resonantie golflengte en oppervlaktechemie) en de laser stimulatieparameters (zoals golflengte, pulslengte, herhalingssnelheid, enz.) Kan worden gevarieerd om verschillende experimentele behoeften. De effecten op celgedrag kan worden gecontroleerd met behulp van standaard biologische bepalingen en material…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag NanoVentures Australië voor reis financiële steun en Prof. John Haycock erkennen voor het feit dat gedeeltelijk gehost dit onderzoek aan de Universiteit van Sheffield en mevrouw Jaimee Mayne voor haar hulp tijdens het filmen.
Materials
| Au NR | Sigma Aldrich | 716812 | |
| NG108-15 | Sigma Aldrich | 8811230 | |
| DMEM | Sigma Aldrich | D6546 | |
| FCS | Life Technologies | 10100147 | |
| L-glutamine | Sigma Aldrich | G7513 | |
| Penicillin/streptomycin | Life Technologies | 15140122 | |
| Amphotericin B | Life Technologies | 15290018 | |
| Formaldehyde | Sigma Aldrich | F8775 | |
| Triton X-100 | BDH | T8532 | |
| BSA | Sigma Aldrich | A2058 | |
| Anti-βIII-tubulin | Promega | G7121 | |
| TRITC-conjugated anti-mouse IgG antibody | Sigma Aldrich | T5393 | |
| DAPI | Invitrogen | D1306 | |
| Fluo-4 AM | Invitrogen | F14201 | |
| DMSO | Sigma Aldrich | 472301 | |
| Pluronic F-127 | Invitrogen | P6867 | |
| Equipment name | Company | Catalogue Number | |
| UV-Vis spectrometer | Varian Medical Systems Inc. | Cary 50 Bio | |
| Mini centrifuge | Eppendorf | Mini Spin | |
| Sonic bath | Unisonics Australia | FPX 10D | |
| Cell culture incubator | Kendro | Hera Cell 150 | |
| Cell culture centrifuge | Hettich | Rotofix 32A | |
| Laser diode | Optotech | 780 nm single mode fibre – coupled LD | |
| Optical fiber | Thorlabs | 780 HP | |
| Power meter | Coherent | Laser Check | |
| ImageJ | http://rsb.info.nih.gov/ij/index.html | ||
| Epifluorescent microscope | Axon Instruments | ImageX-press 5000A | |
| μ-slide well | Ibidi | 80826 | |
| Inverted confocal microscope | Carl Zeiss Microscopy Ltd. | LSM 510 meta-confocal microscope | |
| Oscilloscope | Tektronix | TDS210 |
References
- Richter, C. P., Matic, A. I., Wells, J. D., Jansen, E. D., Walsh, J. T. Neural stimulation with optical radiation. Laser. Photonics Rev. 5 (1), 68-80 (2011).
- Dittami, G. M., Rajguru, S. M., Lasher, R. A., Hitchcock, R. W., Rabbitt, R. D. Intracellular calcium transients evoked by pulsed infrared radiation in neonatal cardiomyocytes. J. Physiol. 589 (6), 1295-1306 (2011).
- Thompson, A. C., Wade, S. A., Brown, W. G. A., Stoddart, P. R. Modeling of light absorption in tissue during infrared neural stimulation. J. Biomed. Opt. 17 (7), 075002-075002 (2012).
- Thompson, A. C., Wade, S. A., Cadusch, P. J., Brown, W. G., Stoddart, P. R. Modeling of the temporal effects of heating during infrared neural stimulation. J. Biomed. Opt. 18 (3), 035004 (2013).
- Huang, H., Delikanli, S., Zeng, H., Ferkey, D. M., Pralle, A. Remote control of ion channels and neurons through magnetic-field heating of nanoparticles. Nat. Nanotechnol. 5 (8), 602-606 (2010).
- Farah, N., et al. Holographically patterned activation using photo-absorber induced neural-thermal stimulation. J. Neural. Eng. 10 (5), (2013).
- Ciofani, G., et al. Enhancement of neurite outgrowth in neuronal-like cells following boron nitride nanotube-mediated stimulation. ACS Nano. 4 (10), 6267-6277 (2010).
- Kim, J. A., et al. Enhancement of neurite outgrowth in PC12 cells by iron oxide nanoparticles. Biomaterials. 32 (11), 2871-2877 (2011).
- Myroshnychenko, V., et al. Modelling the optical response of gold nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 37 (9), 1792-1805 (2008).
- Choi, W. I., Sahu, A., Kim, Y. H., Tae, G. Photothermal cancer therapy and imaging based on gold nanorods. Ann. Biomed. Eng. 40 (2), 534-546 (2011).
- Zhan, Q., Qian, J., Li, X., He, S. A study of mesoporous silica-encapsulated gold nanorods as enhanced light scattering probes for cancer cell imaging. Nanotechnology. 21 (5), 055704 (2010).
- Paviolo, C., et al. Laser exposure of gold nanorods can increase neuronal cell outgrowth. Biotechnol. Bioeng. 110 (8), 2277-2291 (2013).
- Paviolo, C., Haycock, J. W., Cadusch, P. J., McArthur, S. L., Stoddart, P. R. Laser exposure of gold nanorods can induce intracellular calcium transients. J. Biophotonics. 7 (10), 761-765 (2014).
- Yong, J., et al. Gold-nanorod-assisted near-infrared stimulation of primary auditory neurons. Adv. Healthcare Mater. , (2014).
- Eom, K., et al. Enhanced infrared neural stimulation using localized surface plasmon resonance of gold nanorods. Small. , (2014).
- Juste, J., Pastoriza-Santos, I., Liz-Marzán, L. M., Mulvaney, P. Gold nanorods: Synthesis, characterization and applications. Coordination Chemistry Reviews. (17-18), 1870-1901 (2005).
- Shang, J., Gao, X. Nanoparticle counting: towards accurate determination of the molar concentration. Chem. Soc. Rev. 43 (21), 7267-7278 (2014).
- Sharma, V., Park, K., Srinivasarao, M. Shape separation of gold nanorods using centrifugation. Proc. Natl. Acad. Sci. 106 (13), 4981-4985 (2009).
- Kaewkhaw, R., Scutt, A. M., Haycock, J. W. Anatomical site influences the differentiation of adipose-derived stem cells for schwann-cell phenotype and function. Glia. 59 (5), 734-749 (2011).
- Brown, W. G. A., Needham, K., Nayagam, B. A., Stoddart, P. R. Whole cell patch clamp for investigating the mechanisms of infrared neural stimulation. JoVE. (77), (2013).
- Cadusch, P. J., Hlaing, M. M., Wade, S. A., McArthur, S. L., Stoddart, P. R. Improved methods for fluorescence background subtraction from Raman spectra. J. Raman Spectrosc. 44 (11), 1587-1595 (2013).
- Daud, M. F. B., Pawar, K. C., Claeyssens, F., Ryan, A. J., Haycock, J. W. An aligned 3D neuronal-glial co-culture model for peripheral nerve studies. Biomaterials. 33 (25), 5901-5913 (2012).
- Jung, S., et al. Intracellular gold nanoparticles increase neuronal excitability and aggravate seizure activity in the mouse brain. PLoS ONE. 9 (3), e91360 (2014).
- Salinas, K., Kereselidze, Z., DeLuna, F., Peralta, X., Santamaria, F. Transient extracellular application of gold nanostars increases hippocampal neuronal activity. J. Nanobiotechnology. 12 (1), 31 (2014).
- Ebbesen, C. L., Bruus, H. Analysis of laser-induced heating in optical neuronal guidance. J. Neurosci. Meth. 209 (1), 168-177 (2012).
- Iwanaga, S., et al. Location-dependent photogeneration of calcium waves in HeLa cells. Cell Biochem. Biophys. 45 (2), 167-176 (2006).
- Huang, X., Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Determination of the minimum temperature required for selective photothermal destruction of cancer cells with the use of immunotargeted gold nanoparticles. Photochem. Photobiol. 82 (2), 412-417 (2006).
- Connor, E. E., Mwamuka, J., Gole, A., Murphy, C. J., Wyatt, M. D. Gold nanoparticles are taken up by human cells but do not cause acute cytotoxicity. Small. 1 (3), 325-327 (2005).
- Isomaa, B., Reuter, J., Djupsund, B. M. The subacute and chronic toxicity of cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), a cationic surfactant, in the rat. Arch. Toxicol. 35 (2), 91-96 (1976).
- Juste, J., Pastoriza-Santos, I., Liz-Marzán, L., Mulvaney, P. Gold nanorods: synthesis, characterization and applications. Coord. Chem. Rev. 249 (17-18), 1870-1901 (2005).
- Dreaden, E. C., Alkilany, A. M., Huang, X., Murphy, C. J., El-Sayed, M. A. The golden age: gold nanoparticles for biomedicine. Chem. Soc. Rev. 41 (7), 2740-2779 (2012).
- Huang, X., Jain, P. K., El-Sayed, I. H., El-Sayed, M. A. Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles. Lasers Med. Sci. 23 (3), 217-228 (2008).
- Albert, E. S., et al. TRPV4 channels mediate the infrared laser-evoked response in sensory neurons. J. Neurophysiol. 107 (12), 3227-3234 (2012).
- Garcia-Elias, A., et al. Phosphatidylinositol-4,5-biphosphate-dependent rearrangement of TRPV4 cytosolic tails enables channel activation by physiological stimuli. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (23), 9553-9558 (2013).
- Shapiro, M. G., Homma, K., Villarreal, S., Richter, C. -. P., Bezanilla, F. Infrared light excites cells by changing their electrical capacitance. Nat. Commun. 3 (736), (2012).
- Roggan, A., Friebel, M., Dörschel, K., Hahn, A., Müller, G. Optical properties of circulating human blood in the wavelength range 400-2500 nm. J. Biomed. Opt. 4 (1), 36-46 (1999).
- Byrnes, K. R., et al. Light promotes regeneration and functional recovery and alters the immune response after spinal cord injury. Lasers Surg. Med. 36 (3), 171-185 (2005).
- Wu, X., et al. 810 nm wavelength light: an effective therapy for transected or contused rat spinal cord. Lasers Surg. Med. 41 (1), 36-41 (2009).
- Grossman, N., Schneid, N., Reuveni, H., Halevy, S., Lubart, R. 780 nm low power diode laser irradiation stimulates proliferation of keratinocyte cultures: involvement of reactive oxygen species. Lasers Surg. Med. 22 (4), 212-218 (1998).
- Wong-Riley, M. T. T., et al. Photobiomodulation directly benefits primary neurons functionally inactivated by toxins – Role of cytochrome c oxidase. J. Biol. Chem. 280 (6), 4761-4771 (2005).
- Beauvoit, B., Kitai, T., Chance, B. Contribution of the mitochondrial compartment to the optical properties pf the rat liver: a theoretical and practical approach. Biophys. J. 67 (6), 2501-2510 (1994).
