植物病毒纳米颗粒(VNPs)是生物医学应用中有前景的平台。本文介绍了植物VNPs的增殖、纯化、表征及生物偶联的操作步骤。最后,我们展示了利用小鼠异种移植模型和荧光成像技术,将VNPs应用于肿瘤靶向与成像的研究。
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植物病毒纳米颗粒(VNPs)是生物医学应用中有前景的平台。本文介绍了植物VNPs的增殖、纯化、表征及生物偶联的操作步骤。最后,我们展示了利用小鼠异种移植模型和荧光成像技术,将VNPs应用于肿瘤靶向与成像的研究。
纳米材料的应用有望彻底改变材料科学和医学领域。目前,多种不同的纳米颗粒正在被研究用于成像和治疗方面的应用。来源于植物的病毒纳米颗粒(VNPs)可被视为具有明确尺寸和形状的自组装生物纳米材料。Steinmetz 实验室正在研究的植物病毒包括由Cowpea mosaic virus(CPMV)和Brome mosaic virus(BMV)形成的二十面体颗粒,这两种颗粒的直径均为30 nm。我们还在开发来源于以下植物病毒的棒状和丝状结构:Tobacco mosaic virus(TMV)形成尺寸为300 nm × 18 nm的刚性棒状颗粒,而Potato virus X(PVX)则形成长度为515 nm、宽度为13 nm的丝状颗粒(有关VNPs的更多信息,请参见参考文献1和2)。
从材料科学家的角度来看,病毒纳米颗粒(VNPs)因其多种特性而成为极具吸引力的构建单元:这些颗粒具有单一分散性,且能够轻松实现大规模生产。 在植株中,具有极高的稳定性且生物相容性良好。此外,病毒纳米颗粒(VNPs)是可“编程”的单元,可通过基因改造或化学生物偶联方法进行特异性设计。 3VNPs 的结构已解析至原子分辨率,可在原子水平上进行空间精确定位的修饰。4,这种控制水平是目前最先进的技术所使用的合成纳米材料无法实现的。
本文中,我们描述了CPMV、PVX、TMV和BMV的增殖方法 Vigna unguiculata 和 Nicotiana benthamiana 植物。提供了每种病毒纳米颗粒(VNP)的提取和纯化方案。描述了对纯化后及化学标记的VNP进行表征的方法。本研究重点介绍使用荧光染料对VNP进行化学标记例如 Alexa Fluor 647)和聚乙二醇(PEG)。这些染料有助于追踪和检测VNPs 5-10,且聚乙二醇可降低蛋白质纳米颗粒的免疫原性,同时改善其药代动力学特性 8,11我们利用小鼠异种移植瘤模型展示了聚乙二醇化病毒纳米颗粒(PEGylated VNPs)的肿瘤靶向能力。通过组织荧光成像相结合的方法 离体 使用Maestro成像系统、匀浆组织中的荧光定量以及共聚焦显微镜来研究生物分布。病毒纳米颗粒(VNPs)通过网状内皮系统(RES)被清除;通过增强的通透性和滞留效应(EPR)实现肿瘤靶向。12VNP 纳米技术是一种强大的即插即用型技术,可用于成像和治疗疾病病灶 体内我们正在进一步开发病毒样颗粒(VNPs),以携带药物载荷和具有临床相关性的成像基团,以及组织特异性配体,用于靶向癌症和心血管疾病中过表达的分子受体。
1. VNP(CPMV、BMV、PVX 和 TMV)的扩增
| CPMV | PVX、TMV 和 BMV |
| 第0天:每盆种植3粒豇豆种子。 | 第0天:每盆播种约30粒弯叶烟(N. benthamiana)种子。每周施肥一次,每5升水加入1汤匙肥料。 |
| 第14天:将弯叶烟移栽至每盆1株。 | |
| 第10天:通过机械接种法,使用少量碳化硅对豇豆的初生叶片接种CPMV(5 μg/50 μl/叶片)。 | 第28天:通过机械接种法,使用少量碳化硅对3至5片叶片分别接种PVX、TMV或BMV(5 μg/50 μl/叶片)。 |
| 第20天:收获叶片并储存于-80 °C。 | 第42天:收获叶片并储存于-80 °C。 |
表1. 叶片培养、接种和收获的时间线。
注意:此处仅以 CPMV 的扩增作为示例进行说明。
2. VNP(CPMV、BMV、PVX 和 TMV)纯化
注意:所有步骤均在冰上或 4 °C 下进行。
| CPMV 和 TMV | 0.1 M 磷酸钾缓冲液 (pH 7.0) 38.5 mM KH2PO4 61.5 mM K2HPO4 |
| PVX | 0.5 M 硼酸缓冲液 (pH 7.8) 0.5 M 硼酸 用 NaOH 调节 pH |
| BMV | SAMA 缓冲液 (pH 4.5) 250 mM 醋酸钠 10 mM MgCl2 2 mM β-巯基乙醇(新鲜添加) |
表2. 每种VNP的缓冲液及其配方。
注意:此处仅以 CPMV 的扩增为例进行演示。
3. VNP(CPMV、BMV、PVX 和 TMV)表征
4. VNPs 与 PEG 及荧光染料的化学偶联、纯化与表征
5. 使用小鼠异种移植模型进行肿瘤靶向与成像
注意:不会演示组织培养实验和活体动物研究。实际操作演示仅限于组织处理和数据采集。有关HT-29肿瘤异种移植模型的参考文献,请参见文献19。
评估VNPs肿瘤归巢能力的三种技术:
注意: 本操作步骤将不进行演示,代表性数据见图8。有关免疫组织化学及所述染色方法的参考文献,读者可参阅文献19。
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图1. 植物病毒感染的植株。 感染CPMV的豇豆(Vigna unguiculata)植株(A);感染PVX(B)、TMV(C)和BMV(D)的本氏烟(Nicotiana benthamiana)植株。图片拍摄于机械接种感染后约10天。
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本方案提供了一种对VNPs进行化学修饰的方法及其应用 体内 肿瘤成像。本文介绍的动物荧光成像、荧光定量和免疫组织化学技术可用于研究纳米颗粒的生物分布并评估其向肿瘤的靶向性。这些技术能够提供有关纳米颗粒通过EPR效应进入肿瘤组织的重要信息。结合多种分析方法的结果,可形成一种强大的综合策略,用于评估病毒样纳米颗粒(VNPs)的定位及其在体内的生物分布。
然而,在进行这些研究之前,必须首先获得高纯度的病毒制备物。除了机械接种外,病毒样颗粒(VNP)扩增的一种可能替代方法是农杆菌渗入法,该方法可具有较高的转化效率和积累速率。在扩增VNPs时,应注意将感染不同病毒的植株分开,以避免交叉污染。特别是烟草花叶病毒(TMV)极易通过机械方式传播和扩散。另一个需要特别注意的关键步骤是在冰上或4 °C条件下进行病毒纯化,所有缓冲液均应预冷至冰冻状态。较低的温度对于防止植物材料中存在的蛋白酶和氧化酶对VNPs造成损伤至关重要。
纯化病毒纳米颗粒(VNPs)的产量较低可能由多种因素引起。其中一个可能的原因是用于扩增的VNPs保存...
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未声明任何利益冲突。
本工作得到了美国国立卫生研究院/国立生物医学成像与生物工程研究所(NIH/NIBIB)R00 EB009105(授予NFS)和P30 EB011317(授予NFS)基金、NIH/NIBIB培训基金T32 EB007509(授予AMW)、凯斯西储大学跨学科联盟投资基金(授予NFS)以及凯斯综合癌症中心基金P30 CA043703(授予NFS)的支持。我们感谢斯坦梅茨实验室的本科学生研究人员提供的实际协助:Nadia Ayat、Kevin Chen、Sourav (Sid) Dey、Alice Yang、Sam Alexander、Craig D'Cruz、Stephen Hern、Lauren Randolph、Brian So 和 Paul Chariou。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 病毒纳米颗粒的制备 | |||
| 室内植物培养室 | Percival Scientific | E-41L2 | |
| 豇豆(V. unguiculata) 种子(California black-eye no. 5) | 伯比 | 51771A | |
| N. benthamiana 种子 | N. benthamiana 种子由 Salk 研究所惠赠。种子通过植物繁殖获得。 | ||
| 碳化硅 | Fisher | C192-500 | |
| Pro-mix BX 育苗土 | 普雷米尔园艺 | 713400 | |
| 杰克牌专业20-10-20泥炭轻质肥料 | JR Peters | 77860 | |
| 设备 | |||
| 50.2 Ti 转子 | 贝克曼 | 337901 | |
| SW 32 Ti 转子 | 贝克曼 | 369694 | |
| Optima L-90K 超速离心机 | 贝克曼 | 365672 | |
| SLA-3000 转子 | 赛默飞世尔科技 | 07149 | |
| SS-34 转子 | 赛默飞世尔科技 | 28020 | |
| Sorvall RC-6 Plus 离心机 | Thermo Scientific | 46910 | |
| 聚丙烯瓶 | 贝克曼 | 355607 | 对于 SLA-3000 转子 |
| 聚碳酸酯瓶 | 贝克曼 | 357002 | 对于 SS-34 转子 |
| 超清晰管 | 贝克曼 | 344058 | 用于蔗糖梯度和SW 32 Ti转子 |
| 聚碳酸酯瓶 | 贝克曼 | 355618 | 用于沉淀和 50.2 Ti 转子 |
| NanoDrop 分光光度计 | Thermo Scientific | NanoDrop2000c | |
| PowerEase 500 预制胶系统 | Invitrogen | EI8675EU | |
| Superose 6 10/300 GL(24 ml)凝胶过滤层析柱 | GE Healthcare | 17-5172-01 | |
| ÄKTA Explorer 100 色谱仪 | GE Healthcare | 28-4062-66 | |
| Allegra X-12R | 贝克曼 | 392302 | 台式离心机 |
| 冷冻切片机 | Leica | CM1850 | |
| Maestro 2 | Caliper Life Sciences | 体内 成像系统 | |
| 组织撕裂器 | Biospec Products | 985370-395 | |
| 微孔板读板仪 | Tecan | Infinite-200 | |
| 透射电子显微镜 | ZEISS | Libra 200FE | |
| FluoView 激光扫描共聚焦显微镜 | 奥林巴斯 | FV1000 | |
| 化学试剂与试剂 | |||
| 3-乙炔基苯胺 | Sigma Aldrich | 498289-5G | |
| 384孔黑色板 | BD Biosciences | 353285 | |
| 4-12% Bis-Tris NuPAGE SDS 凝胶 | Invitrogen | NP0321BOX | |
| 4X LDS 上样缓冲液 | Invitrogen | NP0008 | |
| 乙酸 | Fisher | A385-500 | |
| 乙腈 | Sigma Aldrich | 271004-1L | |
| Alexa Fluor 647 叠氮化物 | Invitrogen | A10277 | |
| Alexa Fluor 647 羧酸琥珀酰亚胺酯 | Invitrogen | A20006 | |
| Amicon Ultra-0.5 ml 离心滤器 | Millipore | UFC501096 | 10 kDa 截留分子量 |
| 盐酸氨基胍 | Acros Organics | 36891-0250 | |
| 硼酸 | Fisher | A74-500 | |
| 考马斯亮蓝 R-250 | Fisher | BP101-25 | |
| CsCl | Acros Organics | 42285-1000 | |
| DAPI | MP Biomedicals | 157574 | |
| 二甲基亚砜 | Fisher | BP231-100 | |
| 滤纸 | Fisher | 09-801K | P5 级别 |
| FITC 标记的抗小鼠 CD31 | BioLegend | 102406 | |
| 山羊血清 | Invitrogen | 16210-064 | |
| KCl | Fisher | BP366-500 | |
| L-抗坏血酸钠盐 | Acros Organics | 35268-0050 | |
| 甲醇 | Fisher | A412P-4 | |
| MgCl₂2 | Fisher | BP214-500 | |
| 显微镜载玻片 | Fisher | 12-544-3 | |
| 显微镜盖玻片 | VWR | 48366-277 | |
| MOPS缓冲液 | Invitrogen | NP0001 | |
| mPEG-mal | Nanocs | PG1-ML-2k | 分子量 2000 |
| mPEG-N3 | Nanocs | PG1-AZ-5k | 分子量 5000 |
| mPEG-NHS | Nanocs | PG1-SC-5k | 分子量 5000 |
| NaCl | Fisher | BP358-212 | |
| 俄勒冈绿 488 琥珀酰亚胺酯 *6-异构体* | Invitrogen | O-6149 | |
| 对甲苯磺酸一水合物 | Acros Organics | 13902-0050 | |
| 佩尔蒙特 | Fisher | SP15-100 | |
| 磷酸氢二钾 | Fisher | BP363-1 | |
| 磷酸二氢钾 | Fisher | BP362-1 | |
| 乙酸钠 | Fisher | BP333-500 | |
| 亚硝酸钠 | Acros Organics | 42435-0050 | |
| 亚硫酸钠 | Amresco | 0628-500G | |
| 蔗糖 | Fisher | S6-500 | |
| 透射电子显微镜载网 | Ted Pella | FCF-400Cu | |
| Tris 碱 | Fisher | BP152-500 | |
| Triton X-100 | EMD Chemicals | TX1568-1 | |
| β-巯基–乙醇 | Fisher | O3446I-100 | |
| 组织培养 | |||
| 胎牛血清 | Invitrogen | 12483-020 | |
| 血细胞计数板 | Fisher | 0267110 | |
| HT-29细胞 | ATCC | HTB-38 | |
| L-谷氨酰胺 | Invitrogen | 25030-080 | |
| PBS | Cellgro | 21-040-CV | |
| 青霉素-链霉素 | Invitrogen | 10378-016 | |
| RPMI-1640 | Invitrogen | 31800-089 | |
| 组织培养瓶 | 康宁 | 431080 | 175 cm2 |
| 台盼蓝 | Thermo Scientific | SV30084.01 | |
| 胰蛋白酶,0.05%(1X)含EDTA 4Na,液体 | Invitrogen | 25300-054 | |
| 动物实验 | |||
| 18% 蛋白质啮齿类动物饲料 | Harlan Teklad | Teklad Global 2018S | 苜蓿-free饮食 |
| 胰岛素注射器 | BD Biosciences | 329410 | 28 号规格 |
| 异氟烷 | Baxter | AHN3637 | |
| 基底膜基质胶 | BD Biosciences | 356234 | |
| NCR nu/nu 小鼠 | 凯斯西储大学学校 医学院无胸腺动物与异种移植核心设施 | ||
| 无菌注射器 | BD Biosciences | 305196 | 18½ 号规格 |
| Tissue-Tek CRYO-OCT 包埋剂 | Andwin Scientific | 4583 |
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