Çekirdek kabuğu Lanthanide katkılı Upconversion Nanocrystals hücresel uygulamalar için sentezi
Summary
Çekirdek kabuğu lanthanide katkılı upconversion nanocrystals (UCNs) sentezi ve kanal proteini düzenleme yakın kızılötesi (Nur) ışık aydınlatma üzerine hücresel uygulamaları için bir iletişim kuralı sundu.
Abstract
Lanthanide-katkılı upconversion nanocrystals (UCNs) yakın kızılötesi (Nur) ışık emilimi için izin ve daha sonra içine dönüştürebilirsiniz onların umut verici ve kontrol edilebilir optik özellikleri göre son yıllarda çok dikkat çekmiştir UV bölgelerden NIR için görünür için geniş bir yelpazesi üzerinde yayılan emisyonu multiplexed. Bu makale farklı lanthanide iyonları verimli bir şekilde derin doku edilebilen NIR uyarma (808 dönüştürmek için nanocrystals içine dahil çekirdek-kabuk UCNs yüksek sıcaklık co yağış sentezi için ayrıntılı deneysel yordamlar sunar NM) içine güçlü bir mavi emisyon 480 nm. Yüzey değiştirme Biyouyumlu polimer (polyacrylic asit, PAA) ile kontrol ederek, olarak hazırlanan UCNs büyük çözünürlük tampon çözeltiler satın aldı. Hidrofilik nanocrystals daha fazla hücre zarı üzerinde yerelleştirme için belirli ligandlar (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) ile functionalized. Nur ışık üzerine (808 nm) ışınlama, upconverted mavi emisyon etkili ışık-gated kanal proteini hücre zarı üzerinde etkinleştirmek ve özellikle katyon (örneğin, Ca2 +) akını sitoplazmada düzenleyen. Bu iletişim kuralı çekirdek-kabuk lanthanide katkılı UCNs ve daha fazla hücresel uygulamalar için sonraki Biyouyumlu yüzey modifikasyonu sentezi için uygun bir yöntem sağlar.
Introduction
Son yıllarda, lanthanide katkılı upconversion nanocrystals (UCNs) yaygın olarak geleneksel organik boya ve kuantum nokta esas olarak kendi üstün kimyasal ve optik özellikleri dayalı Biyomedikal uygulamalarda alternatif olarak kullanılmıştır, büyük Biyouyumluluk, photobleaching ve dar-bant genişliği emisyon1,2,3yüksek dayanıklılık dahil olmak üzere. Daha da önemlisi, gelecek vaat eden bir nanotransducer ile yakın kızılötesi (Nur) uyarma içine geniş UV görünür, emisyon ve çoklu bir foton aracılığıyla NIR bölgeler dönüştürmek için mükemmel doku penetrasyon derinliği in vivo olarak hizmet verebilir upconversion işlemi4,5. Bu benzersiz özellikleri lanthanide katkılı UCNs biyolojik algılama, Biyomedikal görüntüleme ve hastalıkları theranostics6,7,8için özellikle umut verici bir vektör olarak görev yapıyor.
UCNs genel bileşenleri özellikle katkılı lanthanide iyonları içeren (örneğin, Yb3 +, Nd3 +) derhal ve aktivatör (örneğin, Tm3 +, Er3 +, Ho yalıtım ana bilgisayar matris dayanır 3 +) Kristal içinde homojen9. Farklı optik emisyon nanocrystals üzerinden lanthanide dopants kendi merdiven benzeri düzenlenen enerji seviyesi10nedeniyle yerelleştirilmiş elektronik geçiş 4f boşluklardır içinde atfedilir. Bu nedenle, tam boyut ve morfolojisi uygulamasının lanthanide dopants ile sentezlenmiş UCNs kontrolü için önemlidir. Yanında doğru bazı umut verici yöntemleri de termal ayrışma, yüksek sıcaklık co yağış, hidrotermal sentezi, sol-jel işleme, vb11 de dahil olmak üzere UCNs, lanthanide-katkılı hazırlanması için kurulmuş olan , 12 , 13 bu yaklaşımlar arasında yüksek sıcaklık co yağış yöntemi kesinlikle üniforma şeklinde istenen yüksek kaliteli nanocrystals hazırlamak için kontrol edilebilir UCNs sentezi için en popüler ve uygun stratejileri biridir ve boyut dağılımı bir nispeten kısa tepki süresi ve düşük maliyetli14. Ancak, bu yöntem tarafından sentezlenen çoğu nanoyapıların esas olarak hidrofobik ligandlar oleik asit ve oleylamine, genellikle sulu çözüm hidrofobik ligand çözünürlük sınırlı nedeniyle onların daha da bioapplication engel gibi ile şapkalı 15. bu nedenle, biyolojik uygulamalar içinde in vitro ve in vivoBiyouyumlu UCNs hazırlamak için uygun yüzey değiştirme teknikleri gerçekleştirmek gereklidir.
Burada, mevcut biz çekirdek-kabuk UCNs nanoyapıların sentezi için detaylı deneysel işlemin aracılığıyla yüksek sıcaklık co yağış yöntemi ve Biyouyumlu polimer UCNs yüzeyi için functionalize için uygun değişiklik tekniği daha fazla hücresel uygulamaları. Bu UCNs nanoplatform üç lanthanide iyonları (Yb3 +, Nd3 +ve Tm3 +) güçlü mavi emisyon elde etmek için nanocrystals birleştirmek (~ 480 nm) üzerine Nur ışık uyarma, 808 nm, daha fazla penetrasyon derinliği vardır içinde canlı bir doku. De bu Nd3 +bilindiği-katkılı UCNs simge durumuna küçültülmüş su emme ve aşırı ısınma etkileri bu spektral pencerede görüntülemek (808 nm) ile karşılaştırıldığında geleneksel UCNs 980 nm ışınlama16,17, üzerine 18. Ayrıca, UCNs biyolojik sistemlerde kullanmak için UCNs yüzeyinde hidrofobik ligandlar (oleik asit) öncelikle sonication asit solüsyonu19tarafından kaldırılır. O zaman ligand-Alerjik UCNs daha fazla sulu çözümler20büyük çözünürlük elde etmek için bir Biyouyumlu polimer (polyacrylic asit, PAA) ile değiştirilir. Ayrıca, bir kanıtı-of-concept hücresel uygulamalarında hidrofilik UCNs daha da moleküler ligandlar N3belirli yerelleştirme için (dibenzyl cyclooctyne, DBCO) ile functionalized-hücre zarı öğesini. Nur ışık üzerine (808 nm) ışınlama, upconverted mavi emisyon 480 nm, hücre yüzey üzerinde etkili bir ışık-gated kanal protein, channelrhodopsins-2 (ChR2) etkinleştirmek ve böylece katyon (örneğin, Ca2 + iyon) akını kolaylaştırmak Canlı hücreler membran arasında.
Bu video iletişim kuralı lanthanide katkılı UCNs sentezi, Biyouyumlu yüzey modifikasyonu ve UCNs bioapplication canlı hücreler içinde uygulanabilir bir yöntem sağlar. Sentez teknikleri ve nanocrystal büyüme kullanılan kimyasal reaktifler tüm farklılıkları hücre deneylerde kullanılan son UCNs nanoyapıların boyutu dağıtım, morfoloji ve upconversion ışıldama (UCL) spectra etkileyecektir. Bu ayrıntılı video iletişim kuralı yeni araştırmacılar bu alandaki UCNs tekrarlanabilirlik yüksek sıcaklık co yağış yöntemi ile geliştirmek ve daha fazla UCNs Biyouyumlu yüzey değiştirilmek üzere içinde en yaygın hatalardan kaçınmak için yardımcı olmak için hazırlanmıştır hücresel uygulamaları.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makalede hücresel uygulamalar için fonksiyonel moieties çekirdek-kabuk lanthanide katkılı upconversion nanocrystals (UCNs) sentezi ve onların yüzey değiştirme işlemleri için bir yöntemle sundu. Bu roman nanomaterial UV ve Nur ışık uyarma çok foton upconversion sürecinde üzerine görünür ışık yayarlar olabilir üstün optik özellikleri sahip olur. Bu protokol, çekirdek-kabuk UCNs taşınımı (NaYF4: Yb/Tm/Nd (30/0.5/1%)@NaYF4: Nd (20 %)) hazırlanmış oleik asit ve 1-oct…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser kısmen desteklenen NTU-AIT-MUV NAM/16001, RG110/16 (S), (RG 11/13) ve Nanyang Teknoloji Üniversitesi, Singapur ve ulusal doğal Bilim Vakfı, Çin (NSFC) (No. 51628201) ‘ (RG 35/15) ödül.
Materials
| 1-Octadecene | Sigma Aldrich | O806 | Technical grade |
| oleic acid | Sigma Aldrich | 364525 | Technical grade |
| Methanol | Fisher Scientific | A412 | Technical grade |
| Ethanol | Fisher Scientific | A405 | Technical grade |
| Acetone | Fisher Scientific | A18 | Technical grade |
| Hexane | Sigma Aldrich | H292 | Technical grade |
| Thulium (III) acetate hydrate (Tm(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 367702 | 99.9% trace metals basis |
| Neodymium (III) acetate hydrate (Nd(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 325805 | 99.9% trace metals basis |
| Ytterbium (III) acetate hydrate (Yb(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 326011 | 99.9% trace metals basis |
| Yttrium(III) acetate hydrate (Y(CH3CO2)3) | Sigma Aldrich | 326046 | 99.9% trace metals basis |
| Sodium hydroxide (NaOH) | Sigma Aldrich | S5881 | reagent grade |
| Ammonium fluoride (NH4F) | Sigma Aldrich | 338869 | ACS reagent |
| Hydrogen chloride (HCl) | Fisher Scientific | A144 | reagent grade |
| polyacrylic acid (PAA) | Sigma Aldrich | 323667 | average Mw 1800 |
| 1-Hydroxybenzotriazole hydrate (HOBT) | Sigma Aldrich | 54802 | ACS reagent |
| 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride (EDC) | Sigma Aldrich | E7750 | commercial grade |
| Dibenzocyclooctyne-amine (DBCO-NH2) | Sigma Aldrich | 761540 | ACS reagent |
| N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA) | Sigma Aldrich | D125806 | ACS reagent |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific | BP231 | Technical grade |
| HEK293 cell line | ATCC | CRL-1573 | human embryonic kidney |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma Aldrich | F1051 | ACS reagent |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher | 15140122 | 10,000 U/mL |
| plasmid (pCAGGS-ChR2-Venus) | Addgene | 15753 | Plasmid sent as bacteria in agar stab |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Thermo Fisher | 11965092 | High glucose |
| opti-Modified Eagle Medium (MEM) | Thermo Fisher | 51985034 | Reduced Serum Media |
| Lipofectamine 3000 Transfection Reagent | Thermo Fisher | L3000015 | Lipid-Based Transfection |
| N-Azidoacetylmannosamine, Acetylated (Ac4ManNAz) | Sigma Aldrich | A7605 | ACS reagent |
| Trypsin-EDTA (0.25%) | Thermo Fisher | 25200056 | Phenol red |
| Rhod-3 AM Calcium Imaging Kit | Thermo Fisher | R10145 | Fluorescence dye |
| 5-carboxytetramethylrhodamine-azide (Rhod-N3) | Sigma Aldrich | 760757 | Azide-fluor 545 |
| Confical dish | ibidi GmbH | 81158 | Glass Bottom, 35 mm |
| 50 ml conical centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 227261 | Polypropylene |
| 15 ml conical centrifuge tubes | Greiner Bio-One | 188271 | Polypropylene |
| 1.5 ml conical microcentrifuge tubes | Greiner Bio-One | 616201 | Polypropylene |
| Phenylmethyl silicone oil | Clearco Products | 63148-52-7 | Less than 320 degrees Celsius |
| Glass thermometer | GH Zeal | L0111/10 | From -10 to 360 degrees Celsius |
| 12-well plate | Sigma Aldrich | Z707775 | Polystyrene |
References
- Wang, F., et al. Tuning upconversion through energy migration in core-shell nanoparticles. Nat Mater. 10 (12), 968-973 (2011).
- Liu, Y., et al. Amplified stimulated emission in upconversion nanoparticles for super-resolution nanoscopy. Nature. 543 (7644), 229-233 (2017).
- Fan, W., Bu, W., Shi, J. On The Latest Three-Stage Development of Nanomedicines based on Upconversion Nanoparticles. Adv Mater. 28 (24), 3987-4011 (2016).
- Zhu, X., et al. Temperature-feedback upconversion nanocomposite for accurate photothermal therapy at facile temperature. Nat Commun. 7, 10437-10446 (2016).
- Li, W., Wang, J., Ren, J., Qu, X. Near-infrared upconversion controls photocaged cell adhesion. J Am Chem Soc. 136 (6), 2248-2251 (2014).
- Min, Y., Li, J., Liu, F., Yeow, E. K., Xing, B. Near-infrared light-mediated photoactivation of a platinum antitumor prodrug and simultaneous cellular apoptosis imaging by upconversion-luminescent nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 53 (4), 1012-1016 (2014).
- Yang, D., Ma, P., Hou, Z., Cheng, Z., Li, C., Lin, J. Current advances in lanthanide ion (Ln(3+))-based upconversion nanomaterials for drug delivery. Chem Soc Rev. 44 (6), 1416-1448 (2015).
- Wang, C., Cheng, L., Liu, Z. Upconversion nanoparticles for photodynamic therapy and other cancer therapeutics. Theranostics. 3 (5), 317-330 (2013).
- Li, L. L., et al. Biomimetic surface engineering of lanthanide-doped upconversion nanoparticles as versatile bioprobes. Angew Chem Int Ed. 51 (25), 6121-6125 (2012).
- Wang, J., Ming, T., Jin, Z., Wang, J., Sun, L. D., Yan, C. H. Photon energy upconversion through thermal radiation with the power efficiency reaching 16%. Nat Commun. 5, 5669-5678 (2014).
- Zou, W., Visser, C., Maduro, J. A., Pshenichnikov, M. S., Hummelen, J. C. Broadband dye-sensitized upconversion of near-infrared light. Nat Photonics. 6 (8), 560-564 (2012).
- Liu, Y., Tu, D., Zhu, H., Li, R., Luo, W., Chen, X. A strategy to achieve efficient dual-mode luminescence of Eu(3+) in lanthanides doped multifunctional NaGdF(4) nanocrystals. Adv Mater. 22 (30), 3266-3271 (2010).
- Min, Y., Li, J., Liu, F., Padmanabhan, P., Yeow, E. K., Xing, B. Recent Advance of Biological Molecular Imaging Based on Lanthanide-Doped Upconversion-Luminescent Nanomaterials. Nanomaterials. 4 (1), 129-154 (2014).
- Li, X., Zhang, F., Zhao, D. Lab on upconversion nanoparticles: optical properties and applications engineering via designed nanostructure. Chem Soc Rev. 44 (6), 1346-1378 (2015).
- Gu, Z., Yan, L., Tian, G., Li, S., Chai, Z., Zhao, Y. Recent advances in design and fabrication of upconversion nanoparticles and their safe theranostic applications. Adv Mater. 25 (28), 3758-3779 (2013).
- Dong, H., Sun, L. D., Yan, C. H. Energy transfer in lanthanide upconversion studies for extended optical applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1608-1634 (2015).
- Ai, X., et al. In vivo covalent cross-linking of photon-converted rare-earth nanostructures for tumour localization and theranostics. Nat Commun. 7, 10432-10440 (2016).
- Lu, S., et al. Multifunctional Nano-Bioprobes Based on Rattle-Structured Upconverting Luminescent Nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 54 (27), 7915-7919 (2015).
- Bogdan, N., Vetrone, F., Ozin, G. A., Capobianco, J. A. Synthesis of ligand-free colloidally stable water dispersible brightly luminescent lanthanide-doped upconverting nanoparticles. Nano Lett. 11 (2), 835-840 (2011).
- Zheng, W., Huang, P., Tu, D., Ma, E., Zhu, H., Chen, X. Lanthanide-doped upconversion nano-bioprobes: electronic structures, optical properties, and biodetection. Chem Soc Rev. 44 (6), 1379-1415 (2015).
- Chen, X., Peng, D., Ju, Q., Wang, F. Photon upconversion in core-shell nanoparticles. Chem Soc Rev. 44 (6), 1318-1330 (2015).
- Wang, F., Deng, R., Liu, X. Preparation of core-shell NaGdF4 nanoparticles doped with luminescent lanthanide ions to be used as upconversion-based probes. Nat Protoc. 9 (7), 1634-1644 (2014).
- Chen, G., Agren, H., Ohulchanskyy, T. Y., Prasad, P. N. Light upconverting core-shell nanostructures: nanophotonic control for emerging applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1680-1713 (2015).
- Yang, Y., et al. In vitro and in vivo uncaging and bioluminescence imaging by using photocaged upconversion nanoparticles. Angew Chem Int Ed. 51 (13), 3125-3129 (2012).
- Sedlmeier, A., Gorris, H. H. Surface modification and characterization of photon-upconverting nanoparticles for bioanalytical applications. Chem Soc Rev. 44 (6), 1526-1560 (2015).
- Hu, M., et al. Near infrared light-mediated photoactivation of cytotoxic Re(I) complexes by using lanthanide-doped upconversion nanoparticles. Dalton Trans. 45 (36), 14101-14108 (2016).
- Nagel, G., et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. Proc Natl Acad Sci USA. 100 (24), 13940-13945 (2003).
- Ai, X., et al. Remote Regulation of Membrane Channel Activity by Site-Specific Localization of Lanthanide-Doped Upconversion Nanocrystals. Angew Chem Int Ed. 56 (11), 3031-3035 (2017).
- Xie, R., et al. In vivo metabolic labeling of sialoglycans in the mouse brain by using a liposome-assisted bioorthogonal reporter strategy. Proc Natl Acad Sci USA. 113 (19), 5173-5178 (2016).
- Bansal, A., Zhang, Y. Photocontrolled nanoparticle delivery systems for biomedical applications. Acc Chem Res. 47 (10), 3052-3060 (2014).
- Yang, Y., Aw, J., Xing, B. Nanostructures for NIR light-controlled therapies. Nanoscale. 9 (11), 3698-3718 (2017).
- Ai, X., Mu, J., Xing, B. Recent Advances of Light-Mediated Theranostics. Theranostics. 6 (13), 2439-2457 (2016).
