JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioengineering

Biyolojik Uygulamalar için Yakın Kızılötesi Yayan Altın Nanokümelerin Sentezi

Published: March 22, 2020
doi:
10.3791/60388
, , , , , ,
1Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the Czech Academy of Sciences, 2Department of Chemical Physics and Optics, Faculty of Mathematics and Physics,Charles University, 3Department of Cell Biology, Faculty of Science,Charles University, 4First Faculty of Medicine,Charles University

Summary

İşlevselleştirilebilir, yakın kızılötesi yayan fotolüminesan altın nanokümelerin hazırlanması ve bunların hela hücrelerinin içinde akış sitometrisi ve konfokal lazer tarama mikroskopisi ile doğrudan saptanması için güvenilir ve kolay tekrarlanabilir bir yöntem tanımlanmıştır.

Abstract

Son on yılda, floresan altın nanokümeler (AuNcs) biyolojik uygulamalarda artan popülaritesi tanık olmuş ve büyük çabalar onların gelişimine ayrılmıştır. Bu protokolde, suda çözünür, biyouyumlu ve kolloid olarak kararlı yakın kızılötesi yayan AuNC’ların hazırlanması için yeni geliştirilmiş, kolaybir yöntem ayrıntılı olarak tanımlanmıştır. Bu oda sıcaklığı, aşağıdan yukarıya kimyasal sentez, sulu çözeltide tiyotik asit ve tiyol modifiye polietilen glikol ile kapatılan kolay işlevselauNC’lar sağlar. Sentetik yaklaşım ne organik çözücüler veya ek ligand değişimi ne de üremek için sentetik kimya geniş bilgi gerektirir. Ortaya çıkan AuNCs ücretsiz yüzey karboksilik asitler sunuyoruz, hangi auncs fotolüminesan özellikleri olumsuz etkilemeden serbest amin grubu taşıyan çeşitli biyolojik moleküller ile işlevsel olabilir. HeLa hücreleri tarafından AVuF alımının akış sitometrik nicelleştirme ve konfokal mikroskobik görüntüleme için hızlı ve güvenilir bir prosedür de tanımlanmıştır. Büyük Stokes kayması nedeniyle, AÜ’lerin yakın kızılötesi fotolüminesansının etkin bir şekilde saptanması için akış sitometrisi ve konfokal mikroskopideki filtrelerin doğru şekilde ayarlanması gereklidir.

Introduction

Son on yılda, ultrasmall (≤ 2 nm) fotolüminesan altın nanokümeler (PL AuNCs) hem temel araştırma ve pratik,uygulamalar,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10için umut verici problar olarak ortaya çıkmıştır ., Onların birçok arzu özellikleri yüksek fotostabilite dahil, tunable emisyon maxima, uzun emisyon ömürleri, büyük Stokes vardiya, düşük toksisite, iyi biyouyumluluk, böbrek temizliği ve kolay biyokonjugasyon. PL AuNCs yakın kızılötesi (NIR) spektral bölgeye mavi fotolüminesans sağlayabilir, küme içindeki atomların sayısına bağlı olarak11 ve yüzey ligand12doğasına . NIR (650-900 nm) yayan AuNCs özellikle uzun vadeli in vitro ve hücre ve dokuların in vivo görüntüleme için umut verici, onlar içsel otofloresans ile minimum örtüşme nedeniyle yüksek sinyal-gürültü oranı sunuyoruz, zayıf saçılma ve emilimi, ve NIR ışık yüksek doku penetrasyonu13,14.

Son yıllarda, Au-S kovalent etkileşimleri yararlanmak çeşitli yaklaşımlar nir-PL AuNCs tiyol içeren ligands13,15,,16,17çeşitli ile kaplı hazırlamak için geliştirilmiştir. Biyomedikal uygulamalar için AuNC’ler bağlayıcı etkileşimleri kolaylaştırmak için biyolojik bir bileşenle işlevsel hale getirilmelidir. Bu nedenle, sulu çözücüde kolayca işlevsel hale getirilebilen yüksek kolloidal stabiliteye sahip AuNC’lar son derece arzu edilir. Mevcut protokolün genel amacı, tiyotik asit ve polietilen glikol (PEG) ayrıntılı olarak sulu bir ortamda istihdam ederek yüzeyde işlevselkarboksilik asit grubu ile AuNCs daha önce bildirilen18 hazırlık ve asit-amin kaplin yöntemi aşağıdaki birincil amin taşıyan moleküller ile bunların konjugasyon tanımlamaktır. Sentez kolaylığı ve yüksek tekrarlanabilirlik nedeniyle, bu protokol kimya dışı geçmişe sahip araştırmacılar tarafından kullanılabilir ve uyarlanabilir.

AuNC’lerin biyomedikal araştırmalardaki uygulamaları için en önemli gerekli durumlardan biri, hücrelerin içindeki AuNC’leri gözlemleme ve ölçme yeteneğidir. Hücreler tarafından nanopartikül alımını izlemek için mevcut yöntemler arasında, akış sitometri (FCM) ve konfokal lazer tarama mikroskopisi (CLSM) hücrelerin çok sayıda floresan nanomalzemelerin içselleştirilmesi hızlı ölçümler sağlayan sağlam, yüksek iş sahibi yöntemleri sunuyoruz19. Burada, ek boyalara gerek kalmadan hücrelerin içindeki PL AuNC’lerin doğrudan ölçümü ve analizi için FCM ve CLSM yöntemi de sunulmuştur.

Protocol

1. Yakın kızılötesi yayan AuNCs hazırlanması (1) 7.8 mg (37.8 μmol) tiyotik asit (TA) ve 60 μL 2M NaOH 23.4 mL ultrasaf su (direnç 18.2 MΩ.cm 25 °C) ekleyin ve tamamen eriyene kadar karıştırın (en az 1,000 rpm). TA’nın daha hızlı çözülmesi için karışımı sonicate. Sentez için taze hazırlanmış TA çözeltisi önerilir. Çözeltiye 10,2 μL HAuCl4·3H2O (470 mg/mL) sulu çözelti ekleyin. 15 dakika sonra, 480 μL NaBH4 (1.9 mg/mL) k…

Representative Results

NIR PL AuNC’ler AU3+’tan TA varlığında hazırlandı ve daha sonra thiol ile sonlandırılan PEG (MW 2,000) AuNC yüzeyine bağlandı ve Şekil 1’degösterilen iş akışını takiben 1 elde edildi. 1 ve 3-(aminopropil) trihenylphosphonium (TPP) bromür arasında Amidik kaplin sağlanan 2. Beklendiği gibi, soğurma spektrumları(Şekil 2a)AuNCs 1 ve 2 karakteristik…

Discussion

NIR yayan AuNCs altın öncül çözeltisi (HAuCl4)uygun tiyol ligands ile tedavi edildi bir aşağıdan yukarıya bir yaklaşım kullanılarak sentezlenmiş, Au3 azalmatakip . Sulu çözeltideki metal iyonlarının azaltılması, ultra küçük NC’ler21yerine büyük nano partiküller ile sonuçlanma eğilimindedir. Ultra küçük (≤2 nm) PL AuNC’ları hazırlamak için, sentetik koşullar büyük parçacıkların oluşumunu önlemek ve ultra küçük kümelerin oluşumunu…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar alzbeta Magdolenova akış sitometri ile ona yardım için minnettarız. Yazarlar GACR proje Nr. 18-12533S mali destek kabul. Mikroskopi, Avrupa Bölgesel Kalkınma Fonu ve Çek Cumhuriyeti’nin devlet bütçesi tarafından ortaklaşa finanse edilen Konfokal ve Floresan Mikroskopi Laboratuvarı’nda gerçekleştirildi. CZ.1.05/4.1.00/16.0347 ve CZ.2.16/3.1.00/21515 ve Çek-BioImaging büyük RI projesi LM2015062 tarafından desteklenmiştir.

Materials

1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride TCI Chemicals D1601 https://www.tcichemicals.com/eshop/en/eu/commodity/D1601/;jsessionid=3AD046E5389206AAE33C8AAB5036CDD6?gclid=CjwKCAjwiZnnBRBQEiwAcWKfYrO69K6Np3tYeSsAouqGndUvzzsy1hStBPuHG-X3cpTIsAqq9z0cDBoC76MQAvD_BwE
Bovine serum albumin Sigma-Aldrich A4161 https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/a4161?lang=en&region=CZ
Disodium hydrogen phosphate dihydrate PENTA s.r.o. 15130-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_281.pdf
DL-Thioctic acid, 98% Alfa Aesar L04711 https://www.alfa.com/en/catalog/L04711/
Hydrochloric acid 35% PENTA s.r.o. 19350-11000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_512.pdf
Hydrogen tetrachloroaurate(III) trihydrate, ACS, 99.99% (metals basis), Au 49.0% min Alfa Aesar 36400 https://www.alfa.com/en/catalog/036400/
O-(2-Mercaptoethyl)-O′-methylpolyethylene glycol 2000 Sigma-Aldrich 743127 https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/743127?lang=en&region=CZ
Potassium chloride PENTA s.r.o. 16200-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_346.pdf
Sodium borohydride Sigma-Aldrich 452882 https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/452882?lang=en&region=CZ&gclid=CjwKCAjwiZnnBRBQEiwAcWKfYuoZKvdK_fH24F1gGugG4pamF2FFZLd36YyZmRTdGgkbm5SbyGP0jBoCoo0QAvD_BwE
Sodium chloride PENTA s.r.o. 16610-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_376.pdf
Sodium dihydrogenphosphate dihydrate PENTA s.r.o. 12330-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_124.pdf
Sodium hydroxide pellets PENTA s.r.o. 15740-31000 https://www.pentachemicals.eu/soubory/specifikace/specifikace_307.pdf
XTT (sodium 2, 3-bis (2-methoxy-4-nitro-5-sulfophenyl)-5-[(phenylamino)-carbonyl]-2H-tetrazolium inner salt) Thermo Fisher Scientific X12223 https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/X12223#/X12223
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wang, Y., Chen, J., Irudayaraj, J. Nuclear Targeting Dynamics of Gold Nanoclusters for Enhanced Therapy of HER2+ Breast Cancer. ACS Nano. 5 (12), 9718-9725 (2011).
  2. Chen, L. Y., Wang, C. W., Yuan, Z., Chang, H. T. Fluorescent Gold Nanoclusters: Recent Advances in Sensing and Imaging. Analytical Chemistry. 87 (1), 216-229 (2015).
  3. Dongyun, C., Zhentao, L., Li, N., Lee, J. Y., Xie, J., Lu, J. Jianmei Amphiphilic Polymeric Nanocarriers with Luminescent Gold Nanoclusters for Concurrent Bioimaging and Controlled Drug Release. Advanced Functional Materials. 23 (35), 4324-4331 (2013).
  4. Tan, X., Jin, R. Ultrasmall metal nanoclusters for bio-related applications. Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 5 (6), 569-581 (2013).
  5. Yuan, X., Luo, Z., Yu, Y., Yao, Q., Xie, J. Luminescent Noble Metal Nanoclusters as an Emerging Optical Probe for Sensor Development. Chemistry – An Asian Journal. 8 (5), 858-871 (2013).
  6. Zheng, K., Setyawati, M. I., Leong, D. T., Xie, J. Antimicrobial Gold Nanoclusters. ACS Nano. 11 (7), 6904-6910 (2017).
  7. Li, Q., et al. Design and mechanistic study of a novel gold nanocluster-based drug delivery system. Nanoscale. 10 (21), 10166-10172 (2018).
  8. Zhang, X. D., et al. Ultrasmall Au10-12(SG)10-12 Nanomolecules for High Tumor Specificity and Cancer Radiotherapy. Advanced Materials. 26 (26), 4565-4568 (2014).
  9. Zhang, X. D., et al. Ultrasmall Glutathione-Protected Gold Nanoclusters as Next Generation Radiotherapy Sensitizers with High Tumor Uptake and High Renal Clearance. Scientific Reports. 5, 8669 (2015).
  10. Zhang, X. D., et al. Enhanced Tumor Accumulation of Sub-2 nm Gold Nanoclusters for Cancer Radiation Therapy. Advanced Healthcare Materials. 3 (1), 133-141 (2014).
  11. Zheng, J., Zhang, C., Dickson, R. M. Highly Fluorescent, Water-Soluble, Size-Tunable Gold Quantum Dots. Physical Review Letters. 93 (7), 077402 (2004).
  12. Wu, Z., Jin, R. On the Ligand’s Role in the Fluorescence of Gold Nanoclusters. Nano Letters. 10 (7), 2568-2573 (2010).
  13. Lin, C. A. J., et al. Synthesis, Characterization, and Bioconjugation of Fluorescent Gold Nanoclusters toward Biological Labeling Applications. ACS Nano. 3 (2), 395-401 (2009).
  14. Yang, L., Shang, L., Nienhaus, G. U. Mechanistic aspects of fluorescent gold nanocluster internalization by live HeLa cells. Nanoscale. 5 (4), 1537-1543 (2013).
  15. Mishra, D., et al. Aqueous Growth of Gold Clusters with Tunable Fluorescence Using Photochemically Modified Lipoic Acid-Based Ligands. Langmuir. 32 (25), 6445-6458 (2016).
  16. Wu, Z., Gayathri, C., Gil, R. R., Jin, R. Probing the Structure and Charge State of Glutathione-Capped Au25(SG)18 Clusters by NMR and Mass Spectrometry. Journal of the American Chemical Society. 131 (18), 6535-6542 (2009).
  17. Stamplecoskie, K. G., Kamat, P. V. Size-Dependent Excited State Behavior of Glutathione-Capped Gold Clusters and Their Light-Harvesting Capacity. Journal of the American Chemical Society. 136 (31), 11093-11099 (2014).
  18. Pramanik, G., et al. Gold nanoclusters with bright near-infrared photoluminescence. Nanoscale. 10 (8), 3792-3798 (2018).
  19. Salvati, A., et al. Quantitative measurement of nanoparticle uptake by flow cytometry illustrated by an interlaboratory comparison of the uptake of labelled polystyrene nanoparticles. NanoImpact. 9, 42-50 (2018).
  20. Zhang, C. J., et al. Mechanism-Guided Design and Synthesis of a Mitochondria-Targeting Artemisinin Analogue with Enhanced Anticancer Activity. Angewandte Chemie. 128 (44), 13974-13978 (2016).
  21. Shang, L., Dong, S., Nienhaus, G. U. Ultra-small fluorescent metal nanoclusters: Synthesis and biological applications. Nano Today. 6 (4), 401-418 (2011).
  22. Higaki, T., et al. Controlling the Atomic Structure of Au30 Nanoclusters by a Ligand-Based Strategy. Angewandte Chemie International Edition. 55 (23), 6694-6697 (2016).
  23. Li, G., et al. Tailoring the Electronic and Catalytic Properties of Au25 Nanoclusters via Ligand Engineering. ACS Nano. 10 (8), 7998-8005 (2016).
  24. Kim, A., Zeng, C., Zhou, M., Jin, R. Surface Engineering of Au36(SR)24 Nanoclusters for Photoluminescence Enhancement. Particle & Particle Systems Characterization. 34 (8), 1600388 (2017).
  25. Chevrier, D. M., et al. Molecular-Scale Ligand Effects in Small Gold–Thiolate Nanoclusters. Journal of the American Chemical Society. 140 (45), 15430-15436 (2018).
  26. Yuan, X., Goswami, N., Chen, W., Yao, Q., Xie, J. Insights into the effect of surface ligands on the optical properties of thiolated Au25 nanoclusters. Chemical Communications. 52 (30), 5234-5237 (2016).
  27. Yuan, X., Goswami, N., Mathews, I., Yu, Y., Xie, J. Enhancing stability through ligand-shell engineering: A case study with Au25(SR)18 nanoclusters. Nano Research. 8 (11), 3488-3495 (2015).
  28. Jiang, J., et al. Oxidation at the Core-Ligand Interface of Au Lipoic Acid Nanoclusters That Enhances the Near-IR Luminescence. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (35), 20680-20687 (2014).
  29. Padelford, J. W., Wang, T., Wang, G. Enabling Better Electrochemical Activity Studies of H2O-Soluble Au Clusters by Phase Transfer and a Case Study of Lipoic-Acid-Stabilized Au22. ChemElectroChem. 3 (8), 1201-1205 (2016).
  30. Wang, T., Wang, D., Padelford, J. W., Jiang, J., Wang, G. Near-Infrared Electrogenerated Chemiluminescence from Aqueous Soluble Lipoic Acid Au Nanoclusters. Journal of the American Chemical Society. 138 (20), 6380-6383 (2016).
  31. Aldeek, F., Muhammed, M. A. H., Palui, G., Zhan, N., Mattoussi, H. Growth of Highly Fluorescent Polyethylene Glycol- and Zwitterion-Functionalized Gold Nanoclusters. ACS Nano. 7 (3), 2509-2521 (2013).
  32. Oh, E., Susumu, K., Goswami, R., Mattoussi, H. One-Phase Synthesis of Water-Soluble Gold Nanoparticles with Control over Size and Surface Functionalities. Langmuir. 26 (10), 7604-7613 (2010).
  33. Nair, L. V., Nazeer, S. S., Jayasree, R. S., Ajayaghosh, A. Fluorescence Imaging Assisted Photodynamic Therapy Using Photosensitizer-Linked Gold Quantum Clusters. ACS Nano. 9 (6), 5825-5832 (2015).
  34. Porret, E., et al. Hydrophobicity of Gold Nanoclusters Influences Their Interactions with Biological Barriers. Chemistry of Materials. 29 (17), 7497-7506 (2017).
  35. Shang, L., et al. One-Pot Synthesis of Near-Infrared Fluorescent Gold Clusters for Cellular Fluorescence Lifetime Imaging. Small. 7 (18), 2614-2620 (2011).
  36. Wu, M., et al. Solution NMR Analysis of Ligand Environment in Quaternary Ammonium-Terminated Self-Assembled Monolayers on Gold Nanoparticles: The Effect of Surface Curvature and Ligand Structure. Journal of the American Chemical Society. 141 (10), 4316-4327 (2019).
  37. Gao, X., Cui, Y., Levenson, R. M., Chung, L. W. K., Nie, S. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots. Nature Biotechnology. 22 (8), 969-976 (2004).
  38. Bartczak, D., Kanaras, A. G. Preparation of Peptide-Functionalized Gold Nanoparticles Using One Pot EDC/Sulfo-NHS Coupling. Langmuir. 27 (16), 10119-10123 (2011).
  39. Dutta, D., Sailapu, S. K., Chattopadhyay, A., Ghosh, S. S. Phenylboronic Acid Templated Gold Nanoclusters for Mucin Detection Using a Smartphone-Based Device and Targeted Cancer Cell Theranostics. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (4), 3210-3218 (2018).
  40. Retnakumari, A., et al. CD33 monoclonal antibody conjugated Au cluster nano-bioprobe for targeted flow-cytometric detection of acute myeloid leukaemia. Nanotechnology. 22 (28), 285102 (2011).
  41. Pyo, K., et al. Highly Luminescent Folate-Functionalized Au22 Nanoclusters for Bioimaging. Advanced Healthcare Materials. 6 (16), 1700203 (2017).
  42. Fernández, T. D., et al. Intracellular accumulation and immunological properties of fluorescent gold nanoclusters in human dendritic cells. Biomaterials. 43, 1-12 (2015).

Tags

Gold NanoclustersNear-infrared EmittingPhotoluminescentThiol-functionalized LigandAmine-functionalized LigandBiosensingBio-imagingUltrafiltrationPolyethylene GlycolEDC HCLCell Culture

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Pramanik, G., Keprova, A., Valenta, J., Bocan, V., Kvaková, K., Libusova, L., Cigler, P. Synthesis of Near-Infrared Emitting Gold Nanoclusters for Biological Applications. J. Vis. Exp. (157), e60388, doi:10.3791/60388 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image