Syntes av Immunotargeted Magneto-plasmoniska nanokluster
Summary
Här beskriver vi ett protokoll för syntes av magneto plasmoniska nanopartiklar med en stark magnetiskt moment och en stark nära infraröd (NIR) absorbans. Protokollet innehåller också antikroppar konjugering till nanopartiklarna genom Fc-delen av olika biomedicinska tillämpningar som kräver molekylär specifik inriktning.
Abstract
Magnetiska och plasmoniska egenskaper kombinerade i en enda nanopartikel ger en synergi som är fördelaktigt i ett antal biomedicinska tillämpningar, inklusive kontrastförbättring i nya magnetomotoriska avbildningsmetoder, samtidig infångning och detektion av cirkulerande tumörceller (CTCs) och multimodal molekylär avbildning i kombination med fototermisk behandling av cancerceller. Dessa ansökningar har stimulerat betydande intresse för utveckling av protokoll för syntes av magneto plasmoniska nanopartiklar med optisk absorbans i det nära infraröda (NIR) region och ett starkt magnetiskt moment. Här presenterar vi en ny protokoll för syntes av sådana hybridnanopartiklar som är baserad på en olja-i-vatten-mikroemulsionsmetoden. Det unika med det protokoll som beskrivs här är syntesen av magneto plasmoniska nanopartiklar av olika storlekar från primärblock som också har magneto plasmoniska egenskaper. Detta tillvägagångssätt ger nanopartiklar med hög densitet av magnetiska och plasmoniska funktionaliteter som är utbredda över hela nanopartikelvolymen. De hybridnanopartiklar lätt kan funktionaliseras genom att fästa antikroppar via Fc-delen lämnar Fab-delen som är ansvarig för antigenbindning tillgängliga för inriktning.
Introduction
Hybridnanopartiklar som består av olika material med olika fysikalisk-kemiska egenskaper kan öppna nya möjligheter i biomedicinska tillämpningar inklusive multimodal molekylär avbildning, terapi leverans och uppföljning, ny screening och diagnostiska analyser 1-3. Kombinationen av plasmoniska och magnetiska egenskaper i en enda nanopartikel är av särskilt intresse eftersom det ger en mycket stark ljusspridande och absorption tvärsnitt associerade med plasmon resonanser och känslighet för ett magnetfält. Till exempel var magneto plasmoniska nanopartiklar används för att öka kontrasten i mörkfältsavbildning av märkta celler genom att anbringa en tidssignalmodulering via en extern elektromagnet 3-5. På senare tid har en liknande princip tillämpas i utvecklingen av en ny avbildningsmodalitet – magneto-fotoakustisk avbildning, där magneto plasmoniska nanopartiklar möjliggör stora förbättringar i kontrast och signal-till-bakgrunds råttaio 6,7. Det visade sig också att de hybridnanopartiklar kan användas för samtidig infångning och detektion av cirkulerande tumörceller i helblod och in vivo 8,9. Vidare är magneto-plasmoniska nanopartiklar lovande theranostic medel som kan användas för molekylär specifik optisk och MR-avbildning i kombination med fototermisk behandling av cancerceller 10.
Flera metoder undersöktes för syntes av magneto plasmoniska nanopartiklar. Exempelvis Yu et al. Utnyttjad nedbrytning och oxidation av Fe (CO) 5 på guldnanopartiklar för att bilda hantel liknande bifunktionella Au-Fe 3 O 4 nanopartiklar 11. Wang et al. Har syntetiserat guldbelagda järnoxidnanopartiklar med hjälp av termisk nedbrytning metod 12. Några andra metoder beroende av beläggningspolymer eller aminfunktionella molekyler på magnetiska nanopartiklar kärna följt av avsättning av aggamla skalet på polymerytan för att skapa hybridpartiklarna 7,13. Därutöver har järnoxidnanopartiklar bifogas guldnanostavar via elektrostatiska interaktioner eller en kemisk reaktion 14,15. Även om dessa metoder ger magneto plasmoniska nanostrukturer, de kompromissa till viss del egenskaper hos magneto plasmoniska kombination som optisk absorbans i det nära infraröda (NIR) fönster eller en stark magnetiskt moment som båda är mycket önskvärt i biomedicinska tillämpningar. Exempelvis hantel Au-Fe 3 O 4 nanopartiklar har en plasmonresonans topp vid 520 nm vilket begränsar deras användbarhet in vivo på grund av hög vävnads grumlighet i denna spektralområdet. Dessutom är magneto plasmoniska nanopartiklar som produceras av nuvarande protokoll begränsad till bara en 11 eller få (färre än 10) 14,15 superparamagnetiska delar (t.ex. järnoxidnanopartiklar) som är betydligt mindre än vad som kunde vara achieved i en tätt packad nanostruktur. Till exempel kan en tätt packad 60 nm diameter sfäriska nanopartikel innehåller i storleksordningen tusen av 6 nm superparamagnetiska nanopartiklar. Därför finns det ett stort utrymme för att förbättra magnetiska egenskaper hos hybridnanopartiklar. Dessutom har några av de tidigare beskrivna protokollen är relativt komplicerat och kräver noggrann optimering för att undvika partikelaggregation under syntes 14,15.
Här beskriver vi ett protokoll för syntes av magneto plasmoniska nanopartiklar med en stark magnetiskt moment och en stark NIR absorbans som tar stora begränsningarna i det nuvarande teknik. Syntesen har sitt ursprung i olja-i-vatten-mikroemulsion metoden 16. Den är baserad på montering av nanopartiklar av en önskad storlek från en mycket mindre primärpartiklar. Detta tillvägagångssätt har använts med framgång för att framställa nanostrukturer av ett enda material, såsom guld, järnoxid, och halvledar primary partiklar 16. Vi utökade den till syntes av magneto plasmoniska nanopartiklar av, först, vilket gör oxidkärnpartiklar 6 nm guld diameter skal / järn och då monterar de primära hybrid partiklarna i den slutliga sfäriska nanostruktur. Montering primära partiklar i nanokluster inte bara tillåter förbättrar egenskaperna hos ingående nanopartiklar, som att uppnå en starkare magnetiskt moment samtidigt som superparamagnetiska egenskaper, men tar också fördel av samspelet mellan enskilda nanopartiklar så sätt skapar nya egenskaper frånvarande från de ingående nanopartiklar, till exempel stark optisk absorbans i NIR-fönstret. Detta protokoll ger hybridnanopartiklar med en hög densitet av magnetiska och plasmoniska funktionaliteter. Efter primärpartiklar syntetiseras, är vår metod i huvudsak en enkel en-kärls-reaktion. Den övergripande plasmonresonans styrka och magnetiskt moment bestäms av ett antal primärpartiklar och, finsöre, kan lätt optimeras beroende på en ansökan. Dessutom utvecklade vi också ett förfarande för antikroppskonjugering till hybridnanopartiklar för olika biomedicinska tillämpningar som kräver molekylär specifik inriktning. Antikroppar är fästa genom Fc-delen lämnar Fab-delen som är ansvarig för antigenbindning tillgängliga för inriktning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiska steg i framgångsrik syntes av magneto plasmoniska nanokluster hör att göra mycket monodispergerade primära guld skal / järnoxid kärnnanopartiklar och styra självorganisering av de primära partiklarna i nanokluster. Ett molförhållande mellan de primära partiklarna och ytaktiva medel spelar en viktig roll för att bestämma storleksfördelningen av nanokluster. Icke enhetlig storleksfördelning av primära nanopartiklar kan orsaka bildning av stora aggregat under montering av magneto plasmoniska nanokl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes delvis av NIH bidrag R01 EB008101 och R01 CA103830.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| PYREX 50mL Round Bottom Boiling Flask with Short Neck & 24/40 [ST] Joint | Corning | 4320A-50 | Thermal decomposition reaction |
| PYREX 41 x 300mm 5-Bulb Allihn Condenser with 24/40 [ST] Outer/Inner Joints | Corning | 2480-300 | Thermal decomposition reaction |
| Silicone Oil | Fisher | S159-500 | Oil bath |
| Hot Plate Stirrer | Corning | PC-351 | Heat the reacton with stirring function |
| Thermometer | ThermoWorks | 221-092 | Measure temperature |
| Iron (III) Acetylacetonate | Fisher | AC11913-0250 | Materials for primary hybrid nanoparticles synthesis |
| Oleic Acid 99% | Fisher | A195-500 | |
| Gold (III) Acetate | Fisher | AA3974206 | |
| Hexane | Fisher | H292-1 | |
| Phenyl Ether 99% | Fisher | AC13060-0025 | |
| 1,2-Hexadecanediol 90% | Sigma | 213748-50G | |
| Oleylamine 70% | Sigma | O7805-100G | |
| Sodium Dodecyl Sulfate | Fisher | BP166-100 | Cluster synthesis |
| Sodium Citrate Dihydrate | Sigma | W302600 | |
| Monoclonal Anti-EGF Receptor Antibody | Sigma | E2156 | Cell labeling specificity test |
| Monoclonal Anti-HER2 Antibody | Sigma | AMAB90627 | Cell labeling specificity test |
| Sodium Periodate | Sigma | 311448 | Oxidate Fc region of antibodies |
| Dithiolaromatic PEG6-CONHNH2 | SensoPath Technologies | SPT-0014B | Heterofunctional linker for antibody conjugation to nanoclusters |
| Methoxy-PEG-thiol, 5k | Creative PEGworks | PLS-604 | Passivate the remaining gold surface after antibody conjugation |
| Amicon Ultra-4 Centrifugal Filter Unit with Ultracel-10 membrane | Millipore | UFC801008 | Protien purification |
| HEPES | Sigma | H3375 | Buffer |
| PBS, 1X Solution | Fisher | BP2438-20 | Buffer |
| UV−vis Spectroscopy | BioTek | Synergy HT | Obtain spectrum |
| Centrifuge | Eppendorf | 5810R | Separation |
| Transmission Electron Microscope | FEI | TECNAI G2 F20 X-TWIN | Obtain morphology of nanostructures |
| Upright microscope | Leica | DM6000 | Obtain dark-field images |
| Sonicator | Branson | 1510 | Sonication |
| Carbon Film 300 Mesh Grid | EMS | CF300-Cu | TEM imaging |
| 96-well Plate | Corning | 09-761-145 | UV-vis reading plate |
References
- Bigall, N. C., Parak, W. J., Dorfs, D. Fluorescent, magnetic and plasmonic—Hybrid multifunctional colloidal nano objects. Nano Today. 7, 282-296 (2012).
- Gautier, J., Allard-Vannier, E., Herve-Aubert, K., Souce, M., Chourpa, I. Design strategies of hybrid metallic nanoparticles for theragnostic applications. Nanotechnology. 24, 432002 (2013).
- Wei, Q., Wei, A. Optical imaging with dynamic contrast agents. Chemistry. 17, 1080-1091 (2011).
- Aaron, J. S., et al. Increased optical contrast in imaging of epidermal growth factor receptor using magnetically actuated hybrid gold/iron oxide nanoparticles. Optics express. 14, 12930-12943 (2006).
- Song, H. -. M., Wei, Q., Ong, Q. K., Wei, A. Plasmon-resonant nanoparticles and nanostars with magnetic cores: synthesis and magnetomotive imaging. ACS nano. 4, 5163-5173 (2010).
- Qu, M., et al. Magneto-photo-acoustic imaging. Biomedical optics express. 2, 385-396 (2011).
- Jin, Y., Jia, C., Huang, S. -. W., Donnell O&39, M., Gao, X. Multifunctional nanoparticles as coupled contrast agents. Nature communications. 1, 41 (2010).
- Wu, C. -. H., et al. Versatile Immunomagnetic Nanocarrier Platform for Capturing Cancer Cells. ACS. 7, 8816-8823 (2013).
- Galanzha, E. I., et al. In vivo magnetic enrichment and multiplex photoacoustic detection of circulating tumour cells. Nature nanotechnology. 4, 855-860 (2009).
- Larson, T. A., Bankson, J., Aaron, J., Sokolov, K. Hybrid plasmonic magnetic nanoparticles as molecular specific agents for MRI/optical imaging and photothermal therapy of cancer cells. Nanotechnology. 18, 325101 (2007).
- Yu, H., et al. Dumbbell-like bifunctional Au-Fe3O4 nanoparticles. Nano letters. 5, 379-382 (2005).
- Wang, L., et al. Monodispersed core-shell Fe3O4@Au nanoparticles. The journal of physical chemistry. B. 109, 21593-21601 (2005).
- Wang, H., Brandl, D. W., Le, F., Nordlander, P., Halas, N. J. Nanorice: a hybrid plasmonic nanostructure. Nano letters. 6, 827-832 (2006).
- Hu, X., et al. Trapping and Photoacoustic Detection of CTCs at the Single Cell per Milliliter Level with Magneto‐Optical Coupled Nanoparticles. Small. 9, 2046-2052 (2013).
- Truby, R. L., Emelianov, S. Y., Homan, K. A. Ligand-mediated self-assembly of hybrid plasmonic and superparamagnetic nanostructures. Langmuir. 29, 2465-2470 (2013).
- Bai, F., et al. A Versatile Bottom‐up Assembly Approach to Colloidal Spheres from Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6650-6653 (2007).
