ゴールドナノロッドを含む細胞車の作製と光音響分析
1Institute of Applied Physics,Italian National Research Council, 2Department of Experimental and Clinical Biomedical Sciences,University of Florence, Firenze, 3Department of Physics and Astronomy,University of Florence, Sesto Fiorentino, 4Department of Pharmacy and Biotechnology,University of Bologna
Summary
We show the preparation and address the feasibility of cellular vehicles containing gold nanorods for the photoacoustic imaging of cancer.
Abstract
金ナノロッドは、腫瘍への家庭への近赤外窓、低細胞毒性および電位の彼らの強烈な光吸収率のおかげで、このような光熱アブレーションおよび癌の光音響イメージングなどの生物医学的用途の範囲のために魅力的です。しかし、腫瘍への配信はまだ問題が残っています。革新的なアプローチは、in vitroでの金ナノロッドを装填できる腫瘍関連マクロファージの親和性の搾取から構成されています。ここでは、準備金ナノロッドを含む細胞の車両の光音響検査について説明します。 PEG化された金ナノロッドは、カチオン性プロファイルを達成するために、第四級アンモニウム化合物で修飾されています。通常のペトリ皿におけるマウスのマクロファージと接触すると、これらの粒子は、エンドサイトーシス小胞に大量の取り込みを受けることが分かっています。次に、これらの細胞は、その音響変換の安定性を確認するために使用される生体高分子ヒドロゲル中に埋め込まれています粒子の携帯車へのそれらの包含に保持されています。私たちは、これらの結果は、腫瘍へのプラズモニック粒子を提供するための新規戦略の開発のための新たなインスピレーションを提供することができることを確信しています。
Introduction
過去10年間、金ナノロッド、ナノシェル及びナノケージ等の種々のプラズモニック粒子は、生物医学的光学系1、2、3、4における用途のために、かなりの注目を集めています。標準の金ナノスフィアと分散では、これらの新しい粒子が身体を通して最も深い光浸透し、内因性の構成要素1を超える最高の光学コントラストを提供し、近赤外（NIR）ウィンドウで共振します。この機能は、光音響（PA）イメージングおよび癌の光熱アブレーションなど革新的なアプリケーションのための関心を呼んでいます。しかし、いくつかの問題は、これらの粒子の臨床的浸透を抑制する。例えば、それらの光活性化は、その過熱を誘導するために、より球状photoinstability 5を駆動プロファイル、6、7、8に向かってそれらの機能的形状を変更する傾向があります</SUP>、9。科学的な議論を支配するもう一つの問題は、腫瘍へのそれらの全身送達です。具体的には、金ナノロッドは、強化された透過性と保持および悪性マーカーの特異的プローブとの結合の容易さを表示する腫瘍に浸透するのが理想的であるサイズを兼ね備えています。従って、血流への直接注射のためのそれらの調製が可能スキーム10、11、12、13として知覚されます。しかしながら、この経路は、粒子の大部分は、単核食細胞系10、11、12により捕捉さになって、問題が残ります。また、別の懸念は、本体14を通って循環した後の粒子の光学的および生化学的安定性です。粒子は、それらのコロイド安定性と凝集体を失うとき、彼らのプラズモニック機能や伝熱力学は、プラズモニックカップリング15に苦しむことがあり、 </s> 16、17、最大18クロス過熱。
より最近では、腫瘍関連マクロファージの親和性を利用する概念は、スマート代替19、20、21として浮上しています。これらの細胞は、高い特異性で腫瘍を検出し、みなぎるする生得的な能力を保持します。したがって、1観点は、患者からこれらの細胞を単離し、in vitroでの金ナノロッドでそれらをロードし、配達を担当する携帯車としてそれらを使用することを意図して、患者に戻ってそれらを注入することであってもよいです。もう一つの利点は、それらの生物学的インタフェースをin vitroで構築されるため、粒子の光学的および生化学的安定性をより細かく制御を獲得することです。それでも、光造影剤としてのこれらの細胞の車両の性能は、批判的な分析を必要としています。
本研究では、準備とcellulの重要な問題について説明します癌のPAイメージングのための金ナノロッドを含むAr車。 PEG化された金ナノロッドは、血漿膜23,24との相互作用を促進することが期待されているカチオン性プロファイルを達成するために、第四級アンモニウム化合物22で修飾されています。これらの粒子は、うまくいけば、それらの生物学的機能をあまり干渉することなく、ほとんどの携帯の種類の中から効率的かつ非特異的取り込みを受けます。マウスマクロファージはタイトエンドサイトーシス小胞内に閉じ込めなっセルあたり最大000、200のようなカチオン性金ナノロッド、までにロードされます。この構成は、これらの小胞の内部のプラズモンカップリングとクロス過熱の恐れの、懸念を生じなければなりません。したがって、マクロファージは、粒子のPA転化の安定性の大部分はエンドサイトーシス小胞の成長培地からの転送中に保持されていることを確認するために、生体組織を模倣する生体高分子ヒドロゲル中に埋め込まれています。 EffectivEの測定基準は、PAイメージングのための即時の関心の条件下でPA変換の安定性を測定するために働いています。再形成閾値は10ヘルツの典型的な繰り返し率を有する50のレーザパルス列の後に、光不安定性の非常に開始時に設定されています。
私たちは、これらの結果は、腫瘍へのプラズモニック粒子を提供するための新規戦略の開発のための勢いを提供することができることを確信しています。
Protocol
注：金ナノロッドの全ての濃度は、公称のAuモル濃度で表されています。他の作品との比較のために、1 M Auをおおよそ我々の場合には、20μMの金ナノロッドに対応していることに注意してください。 カチオン性金ナノロッドの作製注：この方法は、Ratto ら 26に従ってNikoobakht ら 25によって導入され、適応プロ?…
Representative Results
ここでは、癌のPAイメージングのために金ナノロッドを含む細胞の車の可能性は、プロトコルの代表的な成果と一緒に示されています。 図1のTEM画像は、ステップ2の粒子のとTEMイメージングのための細胞の調製は、別の場所で17説明された後、ステップ1後の粒子およびそれらの細胞の車の通常の外観?…
Discussion
腫瘍関連マクロファージを標的とする概念は、癌34、35、36に対抗するために強力な概念として浮上しています。ここでは、代わりにその破壊のために、これらの細胞は、その親和性の活用により、腫瘍に金ナノロッドをもたらすために携帯車として採用されています。この視点は、粒子の思慮深い設計、細胞とその特性評価への統合を必要とします。…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、部分的にERANET +プロジェクトLUSバブルとBI-TREの枠内Regioneトスカーナと欧州共同体によってサポートされていました。
Materials
| Hexadecyltrimethylammonium bromide | Sigma-Aldrich | H6269 | To synthesize gold nanorods |
| Gold(III) chloride trihydrate | Sigma-Aldrich | 520918 | To synthesize gold nanorods |
| Silver nitrate | Sigma-Aldrich | S6506 | To synthesize gold nanorods |
| L-ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A5960 | To synthesize gold nanorods |
| Sodium borohydride | Sigma-Aldrich | To synthesize gold nanoseeds | |
| MeO-PEG-SH | Iris Biotech | PEG1171 | To PEGylate gold nanorods. Molecular weight about 5,000 Da |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 320099 | To PEGylate gold nanorods and solubilize chitosan |
| Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S8750 | To PEGylate gold nanorods |
| (11-Mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammonium bromide | Sigma-Aldrich | 733305 | To modify gold nanorods with quaternary ammonium compounds |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | 276855 | To solubilize (11-mercaptoundecyl)-N,N,N-trimethylammonium bromide |
| Polysorbate 20 | Sigma-Aldrich | P2287 | To centrifuge PEGylated gold nanorods |
| PBS | Lonza | BE17-516F | To suspend gold nanorods before incubation with cells and to treat pellets of cells |
| J774a.1 | ATCC | TIB-67 | Monocyte/macrophage murine cell line |
| DMEM | Lonza | BE12-707F | Cell culture medium |
| FBS | Lonza | DE14-801F | To be added to cell culture medium |
| L-glutamine | Lonza | BE17-605E | To be added to cell culture medium |
| Penicillin/streptomycin | Lonza | DE17-602E | To be added to cell culture medium |
| Petri dish | NEST | 705001 | Cell culture dish |
| Cell scraper | EuroClone | ES7018 | To detach cells |
| Formaldehyde | Fluka | 47630 | To fix cells |
| Chitosan, low molecular weight | Sigma-Aldrich | 448869 | 75-85% deacetylated. Molecular weight about 120,000 Da |
| Sodium hydroxyde | Sigma-Aldrich | 306576 | To insolubilize chitosan and generate the hydrogel |
| Polystyrene cell culture plates | NEST | 702011 | Used as molds to fabricate chitosan hydrogels |
| Optical parametric oscillator pumped by the third harmonic of a Q-switched Nd:YAG laser | Continuum, Santa Clara, USA | Surelite OPO plus | Source of optical excitation for photoacoustic tests |
| Pyroelectric detector | Gentec, Quebec, Canada | QE8SP | To monitor optical fluence for photoacoustic tests |
| Pre amplified needle hydrophone | Precision Acoustic, Dorset, UK | Model with 1 mm sensor diameter and 1-20 MHz frequency range | To measure photoacoustic signals |
Riferimenti
- Ratto, F., Matteini, P., Centi, S., Rossi, F., Pini, R. Gold nanorods as new nanochromophores for photothermal therapies. J. Biophotonics. (1-2), 4-41 (2011).
- 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, 2740-2779 (2012).
- Hahn, M. A., Singh, A. K., Sharma, P., Brown, S. C., Moudgil, B. M. Nanoparticles as Contrast Agents for in-Vivo Bioimaging: Current Status and Future Perspectives. Anal. Bioanal. Chem. 399 (1), 3-27 (2011).
- Dreaden, E. C., Austin, L. A., Mackey, M. A., El-Sayed, M. A. Size matters: gold nanoparticles in targeted cancer drug delivery. Ther. Deliv. 3 (4), 457-478 (2012).
- Manohar, S., Ungureanu, C., Van Leeuwen, T. G. Gold nanorods as molecular contrast agents in photoacoustic imaging: The promises and the caveats. Contrast Media Mol. Imaging. 6 (5), 389-400 (2011).
- Cavigli, L., et al. Size Affects the Stability of the Photoacoustic Conversion of Gold Nanorods. J. Phys. Chem. C. 118 (29), 16140-16146 (2014).
- Chen, L. -. C., et al. Enhanced photoacoustic stability of gold nanorods by silica matrix confinement. J. Biomed. Opt. 15 (1), 016010 (2010).
- Ratto, F., et al. CW laser-induced photothermal conversion and shape transformation of gold nanodogbones in hydrated chitosan films. J. Nanopart. Res. 13, 4337-4348 (2011).
- Mercatelli, R., et al. Quantitative readout of optically encoded gold nanorods using an ordinary dark-field microscope. Nanoscale. 5 (20), 9645-9650 (2013).
- Von Maltzahn, G., et al. Computationally guided photothermal tumor therapy using long-circulating gold nanorod antennas. Cancer Res. 69 (9), 3892-3900 (2009).
- Jokerst, J. V., Cole, A. J., Van De Sompel, D., Gambhir, S. S. Gold nanorods for ovarian cancer detection with photoacoustic imaging and resection guidance via Raman imaging in living mice. ACS Nano. 6 (11), 10366-10377 (2012).
- Huang, X., et al. A reexamination of active and passive tumor targeting by using rod-shaped gold nanocrystals and covalently conjugated peptide ligands. ACS Nano. 4 (10), 5887-5896 (2010).
- Alkilany, A. M., Thompson, L. B., Boulos, S. P., Sisco, P. N., Murphy, C. J. Gold nanorods: Their potential for photothermal therapeutics and drug delivery, tempered by the complexity of their biological interactions. Adv. Drug Deliv. Rev. 64, 190-199 (2012).
- Centi, S., et al. In vitro assessment of antibody-conjugated gold nanorods for systemic injections. J. Nanobiotechnology. 12, 55 (2014).
- Jain, P. K., Eustis, S., El-Sayed, M. A. Plasmon coupling in nanorod assemblies: Optical absorption, discrete dipole approximation simulation, and exciton-coupling model. J. Phys. Chem. B. 110 (37), 18243-18253 (2006).
- Funston, A. M., Novo, C., Davis, T. J., Mulvaney, P. Plasmon coupling of gold nanorods at short distances and in different geometries. Nano Lett. 9 (4), 1651-1658 (2009).
- Mazzoni, M., Ratto, F., Fortunato, C., Centi, S., Tatini, F., Pini, R. Partial Decoupling in Aggregates of Silanized Gold Nanorods. J. Phys. Chem. C. 118 (34), 20018-20025 (2014).
- Lapotko, D. O., Lukianova, E., Oraevsky, A. A. Selective laser nano-thermolysis of human leukemia cells with microbubbles generated around clusters of gold nanoparticles. Lasers Surg. Med. 38 (6), 631-642 (2006).
- Choi, M. R., et al. A cellular trojan horse for delivery of therapeutic nanoparticles into tumors. Nano Letters. 7 (12), 3759-3765 (2007).
- Dreaden, E. C., Mwakwari, S. C., La Austin, ., Kieffer, M. J., Oyelere, A. K., El-Sayed, M. A. Small molecule-gold nanorod conjugates selectively target and induce macrophage cytotoxicity towards breast cancer cells. Small. 8 (18), 2819-2822 (2012).
- Yang, T. D., et al. Real-time phase-contrast imaging of photothermal treatment of head and neck squamous cell carcinoma: an in vitro study of macrophages as a vector for the delivery of gold nanoshells. J. Biomed. Opt. 17 (12), 128003 (2012).
- Vigderman, L., Manna, P., Zubarev, E. R. Quantitative Replacement of Cetyl Trimethylammonium Bromide by Cationic Thiol Ligands on the Surface of Gold Nanorods and Their Extremely Large Uptake by Cancer Cells. Angew. Chem. Int. Ed. (English). 51 (3), 636-641 (2012).
- Richard, J. P., et al. Cell-penetrating peptides: A reevaluation of the mechanism of cellular uptake. J. Biol. Chem. 278 (1), 585-590 (2003).
- Delehanty, J. B., Boeneman, K., Bradburne, C. E., Robertson, K., Bongard, J. E., Medintz, I. L. Peptides for specific intracellular delivery and targeting of nanoparticles: implications for developing nanoparticle-mediated drug delivery. Ther. Deliv. 1, 411-433 (2010).
- Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Preparation and growth mechanism of gold nanorods (NRs) using seed-mediated growth method. Chem. Mater. 15 (10), 1957-1962 (2003).
- Ratto, F., Matteini, P., Rossi, F., Pini, R. Size and shape control in the overgrowth of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 12 (6), 2029-2036 (2009).
- Niidome, T., et al. PEG-modified gold nanorods with a stealth character for in vivo applications. J. Control. Release. 114 (3), 343-347 (2006).
- Tatini, F., et al. Size dependent biological profiles of PEGylated gold nanorods. J. Mater. Chem. B. 2, 6072-6080 (2014).
- Matteini, P., Ratto, F., Rossi, F., Centi, S., Dei, L., Pini, R. Chitosan films doped with gold nanorods as laser-activatable hybrid bioadhesives. Adv. Mater. 22 (38), 4313-4316 (2010).
- Matteini, P., Ratto, F., Rossi, F., de Angelis, M., Cavigli, L., Pini, R. Hybrid nanocomposite films for laser-activated tissue bonding. J. Biophotonics. 5 (11-12), 868-877 (2012).
- Matteini, P., Tatini, F., Cavigli, L., Ottaviano, S., Ghini, G., Pini, R. Graphene as a photothermal switch for controlled drug release. Nanoscale. 6, 7947-7953 (2014).
- Ratto, F., Witort, E., et al. Plasmonic Particles that Hit Hypoxic Cells. Adv. Funct. Mater. 25 (2), 316-323 (2015).
- Chithrani, D. B. Intracellular uptake, transport, and processing of gold nanostructures. Molec. Membrane Biol. 27 (7), 299-311 (2010).
- Mitchem, J. B., et al. Targeting tumor-infiltrating macrophages decreases tumor-initiating cells, relieves immunosuppression, and improves chemotherapeutic responses. Cancer Res. 73 (3), 1128-1141 (2013).
- Mantovani, A., Allavena, P. The interaction of anticancer therapies with tumor-associated macrophages. J. Exp. Med. 212 (4), 435-445 (2015).
- Panni, R. Z., Linehan, D. C., DeNardo, D. G. Targeting tumor-infiltrating macrophages to combat cancer. Immunotherapy. 5 (10), 1075-1087 (2013).
- Oh, E., et al. Cellular uptake and fate of PEGylated gold nanoparticles is dependent on both cell-penetration peptides and particle size. ACS Nano. 5 (8), 6434-6448 (2011).
- Yuan, H., Fales, A. M., Vo-Dinh, T. TAT peptide-functionalized gold nanostars: Enhanced intracellular delivery and efficient NIR photothermal therapy using ultralow irradiance. J. Am. Chem. Soc. 134 (28), 11358-11361 (2012).
- Ladest, S., Fales, A. M., Domard, A. Multi-membrane hydrogels. Nature. 452, 76-79 (2008).
- Matteini, P., et al. Photothermally activated hybrid films for quantitative confined release of chemical species. Angew. Chem. Int. Ed. (English). 52, 5956-5960 (2013).
- Khor, E., Lim, L. Y. Implantable applications of chitin and chitosan. Biomaterials. 24 (13), 2339-2349 (2003).
- Kennedy, L. C., et al. T cells enhance gold nanoparticle delivery to tumors in vivo. Nanoscale Res. Lett. 6 (1), 283 (2011).
- Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Killingsworth, M. C., Xu, X., Cortie, M. B. Targeted destruction of murine macrophage cells with bioconjugated gold nanorods. J. Nanopart. Res. 9 (6), 1109-1124 (2007).
- Jokerst, J. V., Thangaraj, M., Kempen, P. J., Sinclair, R., Gambhir, S. S. Photoacoustic imaging of mesenchymal stem cells in living mice via silica-coated gold nanorods. ACS Nano. 6 (7), 5920-5930 (2012).
- Ding, H., et al. Gold nanorods coated with multilayer polyelectrolyte as contrast agents for multimodal imaging. J. Phys. Chem. C. 111 (34), 12552-12557 (2007).
- Esposito, G., et al. et al. In vivo laser assisted microvascular repair and end-to-end anastomosis by means of indocyanine green-infused chitosan patches: A pilot study. Lasers Surg. Med. 45 (5), 318-325 (2013).
Citazione di questo articolo
Cavigli, L., Tatini, F., Borri, C., Ratto, F., Centi, S., Cini, A., Lelli, B., Matteini, P., Pini, R. Preparation and Photoacoustic Analysis of Cellular Vehicles Containing Gold Nanorods. J. Vis. Exp. (111), e53328, doi:10.3791/53328 (2016).