Summary

Syntes av Immunotargeted Magneto-plasmoniska nanokluster

Published: August 22, 2014
doi:

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

1. Instrumentation och Glas Förberedelse Bär lämplig skyddsutrustning, dvs en labbrock, engångshandskar och skyddsglasögon. Anslut en rundkolv till en kondensor och doppa den i en silikonolja bad med en temperaturövervakning med en termometer. Placera en värmekälla (t ex värmeplatta) under oljebad (Figur 1). Använd en termometer som kan mäta temperaturen är högre än 260 ° C. 2 Syntes av primär Hybrid Magneto-plasmoni…

Representative Results

Ett system för syntes av immunotargeted magneto plasmoniska nanokluster visas i figur 2. Först magnetiska Fe 3 O 4 järnoxid nanopartiklar syntetiseras via termisk nedbrytning metod. Därefter sätts en tunn ca 1 nm guld skal avsatt på järnoxidkärnpartiklar via termisk sönderdelning. De primära ca 6 nm hybrid nanopartiklar fungerar som frön för att skapa magneto plasmoniska nanokluster genom att utnyttja en olja-i-vatten-mikroemulsion strategi. De nanoklu…

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

  1. Bigall, N. C., Parak, W. J., Dorfs, D. Fluorescent, magnetic and plasmonic—Hybrid multifunctional colloidal nano objects. Nano Today. 7, 282-296 (2012).
  2. 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).
  3. Wei, Q., Wei, A. Optical imaging with dynamic contrast agents. Chemistry. 17, 1080-1091 (2011).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Qu, M., et al. Magneto-photo-acoustic imaging. Biomedical optics express. 2, 385-396 (2011).
  7. Jin, Y., Jia, C., Huang, S. -. W., Donnell O&39, M., Gao, X. Multifunctional nanoparticles as coupled contrast agents. Nature communications. 1, 41 (2010).
  8. Wu, C. -. H., et al. Versatile Immunomagnetic Nanocarrier Platform for Capturing Cancer Cells. ACS. 7, 8816-8823 (2013).
  9. Galanzha, E. I., et al. In vivo magnetic enrichment and multiplex photoacoustic detection of circulating tumour cells. Nature nanotechnology. 4, 855-860 (2009).
  10. 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).
  11. Yu, H., et al. Dumbbell-like bifunctional Au-Fe3O4 nanoparticles. Nano letters. 5, 379-382 (2005).
  12. Wang, L., et al. Monodispersed core-shell Fe3O4@Au nanoparticles. The journal of physical chemistry. B. 109, 21593-21601 (2005).
  13. Wang, H., Brandl, D. W., Le, F., Nordlander, P., Halas, N. J. Nanorice: a hybrid plasmonic nanostructure. Nano letters. 6, 827-832 (2006).
  14. 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).
  15. Truby, R. L., Emelianov, S. Y., Homan, K. A. Ligand-mediated self-assembly of hybrid plasmonic and superparamagnetic nanostructures. Langmuir. 29, 2465-2470 (2013).
  16. Bai, F., et al. A Versatile Bottom‐up Assembly Approach to Colloidal Spheres from Nanocrystals. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6650-6653 (2007).

Play Video

Cite This Article
Wu, C., Sokolov, K. Synthesis of Immunotargeted Magneto-plasmonic Nanoclusters. J. Vis. Exp. (90), e52090, doi:10.3791/52090 (2014).

View Video