Altın Nöronal Hücrelerde optik Uyarım Nanorod destekli
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
Son zamanlarda yapılan çalışmalar, su (dalga boyu> 1400 nm) kızılötesi ışık emme ile bağlantılı geçici ısıtma sinir dokusu 1 kardiyomiyositlerde 2 hücre içi kalsiyum geçişlerdeki aksiyon potansiyelleri uyarılması için kullanılabileceğini göstermişlerdir. kızılötesi ışığın kullanımı nedeniyle potansiyel alansal çözünürlük, nöral protez uygulamaları için büyük ilgisini çekmiştir, genetik doğrudan doku ile temas, uyarım eserler minimize, ve ihtiyaç çıkarılması eksikliği (uyarılması öncesi hücreleri değiştirmek ) Optogenetik gerekli olduğu şekilde 1. Tüm bu avantajlar rağmen, son zamanlarda geliştirilen termal modeller hedef doku / hücre birden fazla uyaran siteleri ve / veya yüksek tekrarlama oranları 3,4 kullanılan kümülatif ısıtma etkileri, etkilenebilir önerdi.
Bu sorunlara cevap olarak, araştırmacılar dışsal Akustik kullanma potansiyeli tanıdısinir uyarımı için mektir dokuda daha lokalize ısıtma etkiler üretmek için. Huang ve ark., Uzaktan bir radyo frekansı manyetik alanı 5, HEK 293 hücrelerinde sıcaklığa duyarlı TRPV1 kanalları etkinleştirmek için süperparamanyetik ferrit nanopartiküller kullanarak bu prensip gösterdi. Bu teknik, (manyetik alan doku ile nispeten zayıf etkileşim) daha derin bir penetrasyon için izin vermesine rağmen, tepkiler sadece oldukça biyonik cihazlar 5 ihtiyaç milisaniye süreleri daha saniye süre boyunca kaydedildi. In vitro siyah mikro-parçacıklar ile sıçan kortikal nöronların Benzer şekilde, Farah ark. Gösterdi elektriksel stimülasyon. Onlar potansiyel hızlı tekrarlama oranları 6 için izin μJ aralığında us ve enerjilerin yüzlerce sipariş üzerine darbe süreleri kullanılarak uyarılması hücre düzeyinde hassasiyet gösterdi.
dış emicilerin kullanılması da uyarılması için tatbik edilmiştirin vitro morfolojik değişimler. Ciofani ark. Ultrason 7 heyecan piezoelektrik bor nitrür nanotüpler kullanılarak nöronal hücre akıbet bir ~% 40 artış gösterdi. Benzer şekilde, PC12 hücrelerinde endocytosed demir oksit nanopartiküller nedeniyle demir oksit 8 hücre yapışma moleküllerinin aktivasyonuna, doza bağımlı bir şekilde nörit farklılaşmasını arttırmak için rapor edilmiştir.
Son zamanlarda, sinir uyarımı yardımcı olmak için dışsal emiciler ilgi de altın nanopartiküllerin kullanımı (Au NPS) odaklanmıştır. Au NPler etkili bir plasmonik tepe lazer ışığı absorbe ettiği ve ısı 9 şeklinde çevreleyen ortam içine dağıtmak yeteneğine sahiptir. 10 – partikül şekilleri tüm arasında, altın nanoçubuklar optik soğurma (Au NR'ler) elverişli (NUR, 750-1,400 nm arasında dalga boyu yakın kızılötesi) Biyolojik dokuların terapötik pencere eşleşir. Ayrıca, cont içindesinir stimülasyon ext, Au NR'lerin kullanımı nispeten olumlu biyouyumluluk ve yüzey fonksiyonlandırmalar seçenekleri 11 geniş bir yelpazede sunmaktadır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar farklılaşması üzerinde bir uyarıcı etkisi NG108-15 nöronal hücrelerin 12 Au NR'lerin sürekli lazer maruz sonra indüklenebilir göstermiştir. Benzer şekilde, hücre içi kalsiyum geçici değişken frekansı ve darbe ile modüle edilmiş lazer ışını 13 uzunlukları sonra Au NR'lerin ile kültürlenmiştir nöronal hücrelerde kaydedildi. Hücre membran depolarizasyon aynı zamanda, spiral gangliyon nöronları 14 primer kültürlerinde Au NR'lerin NIR lazer aydınlatma sonra kaydedildi. ışınlanmış Au NR'lerin ile in vivo uygulamada ilk sadece son zamanlarda kanıtlanmıştır. Eom ve arkadaşları onların plasmonik zirvesinde Au NRS maruz kalan ve bileşik sinir aksiyon potansiyellerinin (CNaPS) genliği bir altı kat artış ve sıçan siyatik sinir stimülasyon eşiği üç kat azalma kaydedildi. trzenginleştirilebilir yanıtı NR plasmonik tepe 15 uyarılması kaynaklanan lokal ısıtma etkilerine bağlandı.
Bu yazıda, Au NR'lerin ile kültüre NG108-15 nöronal hücrelerin lazer stimülasyon etkilerini araştırmak için protokoller belirtilir. Bu yöntemler, standart biyolojik teknikler ve malzemeler kullanılarak in vitro hücre popülasyonlarının saçmak için basit, ama güçlü, bir yol sağlar. Protokol güvenli bir şekilde çalışmasını ve tekrarlanabilir dengelenmesini sağlayan fiber lazer diyot (LD) dayanmaktadır. Au NR örnek hazırlama ve lazer ışınlama yöntemi daha spesifik sentez ve kültür protokolleri sırasıyla bilinen şartıyla, farklı parçacık şekil ve nöronal hücre kültürlerine uzatılabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu sunumda belirtilen protokoller kültüre, farklılaştırmak ve optik dışsal emici kullanarak nöronal hücreleri uyarmak nasıl açıklar. NR özellikleri (örneğin boyutlar, şekil, plazmon rezonans dalga boyu ve yüzey kimyası) ve (vb dalga boyu, darbe uzunluğu, tekrarlama oranı, gibi) lazer stimülasyon parametreleri farklı deneysel ihtiyaçlarına uygun değiştirilebilir. Hücre davranışı üzerindeki etkisi standart biyolojik tahliller ve malzemeler kullanılarak izlenebilir. Genel y…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar kısmen çekimler sırasında ona yardım için Sheffield ve Bayan Jaimee Mayne Üniversitesi bu araştırmaları misafirini ağırlayan seyahat finansman desteği için NanoVentures Avustralya ve Prof. John Haycock kabul etmek istiyorum.
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).
