JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Bioengineering

Syntese av nær-infrarød emitting gull nanoklynger for biologiske applikasjoner

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

En pålitelig og lett reproduserbar metode for fremstilling av funksjonelt, nær-infrarød emitterende fotoluminescerende gull nanoklynger og deres direkte deteksjon inne hela celler ved flyt cytometri og konfokal laser skanning mikroskopi er beskrevet.

Abstract

I løpet av det siste tiåret har fluorescerende gullnanoklynger (AuNCs) vært vitne til økende popularitet i biologiske applikasjoner og enorm innsats har vært viet til deres utvikling. I denne protokollen har en nylig utviklet, facile metode for fremstilling av vannløselig, biokompatibel og kolloidalt stabil nær-infrarød emitterende AuNCs blitt beskrevet i detalj. Denne kjemiske syntesen for romtemperatur, nederen opp gir lett funksjonelt AuNCer avkortet med thioctic acid og tiolmodifisert polyetylenglykol i vandig løsning. Den syntetiske tilnærmingen krever verken organiske løsemidler eller ekstra ligandutveksling eller omfattende kunnskap om syntetisk kjemi for å reprodusere. De resulterende AuNCs tilbyr gratis overflate karboksylsyrer, som kan funksjonaliseres med ulike biologiske molekyler bærer en fri amingruppe uten å påvirke de fotoluminescerende egenskapene til AuNCs negativt. En rask, pålitelig prosedyre for flyt cytometrisk kvantifisering og konfokal mikroskopisk avbildning av AuNC opptak av HeLa celler også blitt beskrevet. På grunn av det store Stokes-skiftet er riktig innstilling av filtre i flow cytometri og konfokal mikroskopi nødvendig for effektiv påvisning av nær-infrarød fotoluminescens av AuNCs.

Introduction

I det siste tiåret har ultrasmå (≤ 2 nm) fotoluminescerende gull nanoklynger (PL AuNCs) dukket opp som lovende sonder for både grunnleggende forskning og praktiske applikasjoner1,2,33,4,5,6,7,8,9,10. Deres mange ønskelige egenskaper inkluderer høy fotostabilitet, tunable utslipp maxima, lang utslippslevetid, store Stokes skift, lav toksisitet, god biokompatibilitet, renal clearance og facile biokonjugering. PL AuNCs kan gi fotoluminescens fra blått til nær-infrarød (NIR) spektral regionen, avhengig av antall atomer i klyngen11 og arten av overflaten ligand12. NIR (650-900 nm) som sender ut AuNCs er spesielt lovende for langsiktig in vitro og in vivo avbildning av celler og vev, da de tilbyr høyt signal-til-støy-forhold på grunn av minimum overlapping med egenautofluorescens, svakere spredning og absorpsjon, og høy vevspenetrasjon av NIR-lys13,14.

I de senere årene har ulike tilnærminger som drar nytte av Au-S kovalente interaksjoner blitt utviklet for å forberede NIR-PL AuNCs avkortet med en rekke thiol-holdige ligander13,,15,16,17. For biomedisinske applikasjoner må AuNCs funksjonaliseres med en biologisk komponent for å lette bindingsinteraksjoner. Dermed er AuNCs med høy kolloidal stabilitet som lett kan funksjoneliseres i vandig løsningsmiddel svært ønskelig. Det overordnede målet med den nåværende protokollen er å beskrive en tidligere rapportert18 forberedelse av AuNCs med en funksjonelt karboksylsyregruppe på overflaten ved å bruke tioctic acid og polyetylenglykol (PEG) i et vandig miljø i detalj og deres bøyning med molekyler som bærer en primær amin etter syre-aminkoblingsmetoden. På grunn av den enkle syntesen og høy reproduserbarhet, kan denne protokollen brukes og tilpasses av forskere fra ikke-kjemi bakgrunn.

En av de viktigste forutsetningene for anvendelser av AuNCs i biomedisinsk forskning er evnen til å observere og måle AuNCs inne i celler. Blant metodene som er tilgjengelige for å overvåke nanopartikkelopptak av celler, flow cytometri (FCM) og konfokal laserskanning mikroskopi (CLSM) tilbyr robuste, høy gjennomstrømning metoder som tillater rask måling av internalisering av fluorescerende nanomaterialer i stort antall celler19. Her har FCM og CLSM-metoden for direkte måling og analyse av PL AuNCs inne i celler, uten behov for ekstra fargestoffer, også blitt presentert.

Protocol

1. Utarbeidelse av nær-infrarød emitterende AuNCs (1) Tilsett 7,8 mg (37,8 μmol) tioctic acid (TA) og 60 μL av 2 M NaOH til 23,4 ml ultrarent vann (resistivitet 18,2 MΩ.cm ved 25 °C) og rør (minst 1000 rpm) til det oppløses helt (~ 15-20 min). For raskere oppløsning av TA, sonicate blandingen. For syntesen anbefales nylaget TA-løsning. Tilsett 10,2 μL haucl4·3H2O (470 mg/ml) vandig oppløsning til oppløsningen. Etter 15 min, tilsett 480 μL NaBH4…

Representative Results

NIR PL AuNCs ble utarbeidet fra Au3+ i nærvær av TA, og deretter var tiol-avsluttet PEG (MW 2000) bundet på AuNC-overflaten for å oppnå 1 etter arbeidsflyten vist i figur 1. Amidic kobling mellom 1 og 3-(aminopropyl) triphenylphosphonium (TPP) bromide gitt 2. Som forventet indikerte absorpsjonsspektra (Figur 2a) at AuNCs 1 og 2 ikke har et karakteristisk overflat…

Discussion

NIR-emitterende AuNCer ble syntetisert ved hjelp av en nedenfra-opp-tilnærming der gullforløperløsningen (HAuCl4) ble behandlet med egnede tiolligander, etterfulgt av reduksjon av Au3+. Reduksjon av metallioner i vandig løsning har en tendens til å aggregere og resulterer i store nanopartikler i stedet for ultrasmå NCer21. For å forberede ultrasmå (≤2 nm) PL AuNCs, ble de syntetiske forholdene justert for å forhindre dannelse av store partikler og fremme dannelse a…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne er takknemlige til Alzbeta Magdolenova for hennes hjelp med flow cytometri. Forfatterne anerkjenner den økonomiske støtten fra GACR-prosjektet Nr. 18-12533S. Mikroskopi ble utført i Laboratoriet for confocal og fluorescens Mikroskopi co-finansiert av European Regional Development Fund og statsbudsjettet i Tsjekkia, prosjekter nr. CZ.1.05/4.1.00/16.0347 og CZ.2.16/3.1.00/21515, og støttet av czech-BioImaging store RI-prosjektet LM2015062.

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