Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Tethered Bilayer Lipid membraner for å overvåke varmeoverføring mellom gull nanopartikler og lipidmembraner

Published: December 8, 2020 doi: 10.3791/61851
Automatic Translation
1,2, 1, 3, 3, 1,2, 3, 2,4, 1,2,5
1School of Life Sciences, University of Technology Sydney, 2ARC Research Hub for Integrated Devices for End-user Analysis at Low-levels (IDEAL), Faculty of Science, University of Technology Sydney, 3School of Mechanical and Manufacturing Engineering, The University of New South Wales, 4Surgical Diagnostics Pty Ltd., 5Institute for Biomedical Materials and Devices, University of Technology Sydney

Summary

Dette arbeidet skisserer en protokoll for å oppnå dynamisk, ikke-invasiv overvåking av varmeoverføring fra laserbestrålede nanopartikler i gull til tBLMer. Systemet kombinerer impedansspektroskopi for sanntidsmåling av ledningsendringer på tvers av tBLM-ene, med en horisontalt fokusert laserstråle som driver gull nanopartikkelbelysning, for varmeproduksjon.

Abstract

Her rapporterer vi en protokoll for å undersøke varmeoverføringen mellom bestrålede gull nanopartikler (GNPer) og bilayer lipidmembraner ved elektrokjemi ved hjelp av tethered bilayer lipidmembraner (tBLMer) montert på gullelektroder. Bestrålede modifiserte GNPer, som streptavidin-konjugerte GNPer, er innebygd i tBLMer som inneholder målmolekyler, for eksempel biotin. Ved å bruke denne tilnærmingen formidles varmeoverføringsprosessene mellom bestrålede GNPer og modell bilayer lipidmembran med interesseenheter av en horisontalt fokusert laserstråle. Den termiske prediktive beregningsmodellen brukes til å bekrefte de elektrokjemisk induserte ledningsendringene i tBLMene. Under de spesifikke forholdene som ble brukt, krevde det å oppdage varmepulser spesifikk festing av gull nanopartiklene til membranoverflaten, mens ubundne gull nanopartikler ikke klarte å fremkalle en målbar respons. Denne teknikken fungerer som en kraftig deteksjonsbiosensor som direkte kan brukes til design og utvikling av strategier for termiske terapier som tillater optimalisering av laserparametere, partikkelstørrelse, partikkelbelegg og sammensetning.

Introduction

Den hypertermiske ytelsen til bestrålede gull nanomaterialer tilbyr en ny klasse av minimalt invasiv, selektiv, målrettet behandling for infeksjoner og svulster1. Sysselsettingen av nanopartikler som kan oppvarmes av en laser har blitt brukt til selektivt å ødelegge syke celler, samt gi et middel for selektiv legemiddellevering2,3. En konsekvens av fototermolysefenomener av oppvarmede plasmoniske nanopartikler er skade på cellemembranene. Væske lipidbilayermembranen regnes som et spesielt sårbart sted for celler som gjennomgår slike behandlinger fordi denaturering av iboende membranproteiner samt membranskader også kan føre til celledød4, da mange proteiner er der for å opprettholde den ioniske potensielle gradienten på tvers av cellemembraner. Mens evnen til å bestemme og overvåke varmeoverføring på nanoskala er av avgjørende interesse for studiet og anvendelsen av bestrålede GNPer1,5,6,7, vurdering og forståelse av molekylære interaksjoner mellom GNPer og biomembraner, samt de direkte konsekvensene av de laserinduserte oppvarmingsfenomenene til innebygde GNPer i biologisk vev, er ennå ikke fullt belyst8. Derfor er en grundig forståelse av hypertermiprosessen av bestrålede GNPer fortsatt en utfordring. Som sådan kan utviklingen av et nanomateriale-elektrodegrensesnitt som etterligner cellenes naturlige omgivelser gi et middel til å foreta en grundig undersøkelse av varmeoverføringsegenskapene til bestrålede gull nanopartikler innen biologiske systemer.

Kompleksiteten i innfødte cellemembraner er en av de betydelige utfordringene med å forstå de bestrålede BNP-interaksjonene i celler. Det har vært ulike kunstige membranplattformer utviklet for å gi nære enkle bio-mimetic versjoner av naturlig lipidmembranarkitektur og funksjonalitet, inkludert, men ikke begrenset til, svarte lipidmembraner9, støttede planar bilayermembraner10, hybride bilayermembraner11, polymer-polstrede lipidbilayermembraner12 og tethered bilayer lipidmembraner13. Hver kunstig lipidmembranmodell har klare fordeler og begrensninger med hensyn til å etterligne de naturlige lipidmembranene14.

Denne studien beskriver ansettelsen av lipidmembranbelagte elektroder som en sensor for å vurdere gull nanopartikkel- og lipidmembraninteraksjoner ved hjelp av tBLM-modellen. Den tBLM-baserte biosensordeteksjonsordningen gir iboende stabilitet og følsomhet13, da tethered membraner kan reparere seg selv, i motsetning til andre systemer (for eksempel membraner dannet av patch-clamp eller liposomer) der bare en liten mengde membranskader resulterer i kollapsen15,16,17,18. Videre, fordi tBLMs er av mm2 dimensjoner, er bakgrunnsimpedansen størrelsesorden lavere enn patch-clamp opptaksteknikker, noe som muliggjør registrering av endringer i basalmembranionisk flux på grunn av nanopartikkelinteraksjoner. Som et resultat av dette kan den nåværende protokollen kontrastere endringer i membranledning ved bundne BNP-er som er begeistret av lasere hvis krefter er så lave som 135 nW / μm2.

Systemet som presenteres her gir en sensitiv og reproduserbar metode for å bestemme presise laserparametere, partikkelstørrelse, partikkelbelegg og sammensetning som trengs for å designe og utvikle termiske terapier. Dette er avgjørende for raffinering av nye fototermale terapier, samt å tilby verdifull informasjon for detaljerte mekanismer for varmeoverføring innen biologiske systemer. Den presenterte protokollen er basert på tidligere publisert arbeid19. En oversikt over protokollen er som følger: den første delen definerer tBLM-formasjonen; Den andre delen skisserer hvordan du konstruerer oppsettet og justerer eksitasjonslaserkilden; Den siste delen illustrerer hvordan man trekker ut informasjon fra de elektriske impedansspektroskopidataene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. tBLMs elektroder forberedelse

  1. Fremstilling av første monolayerbelegg
    1. Senk en nysputtert gullmønstret elektrodemikroskopsklie i en etanolisk løsning som består av et 3 mM 1:9-forhold mellom benzyl-disulfid-tetra-etylenglykol-OH "spacer" molekyler (benzyldisulfid besto av en fire oksygen-etylen glykol avstandsstykke, avsluttet med en OH-gruppe) og benzyldisulfid (tetra-etylenglykol) n=2 C20-phytanyl "tethered" molekyler. Dette skaper det første lagbelegget som en bilayer kan forankres til.
      MERK: Gullelektroden er laget ved å fordampe 100 nm, 99.9995% gull (5n5 gull) film på tilpasset 25 mm x 75 mm polykarbonat lysbilder20.
    2. Inkuber elektroder med det første laget ved romtemperatur i minst 1 time.
    3. Skyll gullelektrodene ved å nedsenke i store mengder ren etanol over 30 s.
    4. Bruk gullelektrodeskuffen med den første monolayeren direkte til neste trinn eller oppbevar den i en krukke full av ren etanol.
    5. MERK: For å sikre integriteten til det første laget, minimerer du enhver direkte kontakt med gulldelene på lysbildet
  2. Montering av den første monolagsbelagte sklien
    1. Ta forsiktig av en coplanar gullelektrodesklie fra beholderen ved hjelp av pinsett, og sørg for ikke å komme i kontakt med de mønstrede områdene der tBLMene vil danne seg.
      MERK: Vær oppmerksom på å identifisere siden av lysbildet som gullet er deponert på.
    2. Lufttørk sklie i 1 - 2 min inn for å fjerne eventuell gjenværende etanol.
    3. Plasser gullelektroden over en tørr overflate, sørg for at gullelektroden er riktig orientert med mønstret gulloverflate vendt opp.
    4. Skrell det gjennomsiktige klebende lagdekselet fra et tynt laminat og plasser over de 6 kanalene for å definere hver brønn.
    5. Bruk en trykkrull til å frigjøre all luft mellom lysbildet og det gjennomsiktige klebemiddellaget, som vist i figur 1A.
      MERK: Tiden som kreves for dette trinnet må optimaliseres av forskeren. I denne protokollen varierer tidene fra 2-3 min.
    6. Introduser så snart det er praktisk mulig (innen 1-2 minutter) den andre lipid-bilayeren til den monterte første monolagsbelagte elektroden for selvmontering for å unngå å skade det første laget.
  3. Forberedelse av andre lipid bilayer
    1. Tilsett 6 μL 3 mM lipider av interesse til den første brønnen i de seks brønnene. Ikke la kanten av mikropipettespissen berøre gulloverflaten, noe som kan skade de tethered kjemiene på elektroden.
      MERK: Lipidblandingen som ble brukt i dette arbeidet besto av 3 mM 70% zwitterionic C20 diphytanyl-ether-glycero-fosfatidylcholine (DPEPC) og 30% C20 diphytanyldiglyceride eter lipider (BNPE) blandet med 3 mM kolesterol-PEG-Biotin i 50:1 molar ratio.
    2. Introduser 6 μL lipidblandingen til de andre brønnene med et gap på 10 s mellom hvert tillegg.
    3. Inkuber hver brønn i nøyaktig 2 minutter ved romtemperatur før du bytter lipidblandingen over elektrodene med en buffer som PBS. Plass tidene for addisjon og bufferutveksling 10 s fra hverandre slik at hver brønn inkuberes med lipiden i nøyaktig 2 min hver.
    4. Vask 3 ganger til med 50 μL PBS-buffer (pH 7.0). Sørg for å la 50 μL buffer over elektrodene til enhver tid. Ikke la elektrodene tørke.
      MERK: Forskyvning av etanolløsningsmidlet med den vandige løsningen på denne måten (løsningsmiddelutvekslingsmetoden) muliggjør rask dannelse av en enkelt lipidbilayer forankret til gullelektroden via de tethered kjemiene.
  4. Testing av tBLM-formasjon ved hjelp av elektriske impedansspektroskopimålinger (EIS)
    1. Sett inn forberedt elektrodesklie i et vekselstrømsspektrometer (f.eks. Kontroller at spektrometeret er koblet via en USB-port til en datamaskin som kjører programvaren.
    2. Åpne programvaren, klikk Installasjon og åpne Maskinvare.
    3. Angi at maskinvareinnstillingene skal bruke 25 mV topp-til-topp AC-eksitasjon.
    4. Angi frekvenser mellom 0,1 og 10 000 Hz med to trinn per tiår for raske impedanstiltak trykk ok.
    5. Klikk Oppsett -menyen, og åpne Modell.
    6. Bruk en tilsvarende kretsmodell som beskriver den tethering gullelektroden som et konstant faseelement i serie med en motstand som beskriver elektrolyttbufferen og et parallelt motstandskondensatornettverk for å beskrive lipidbilayeren, og trykk OK.
    7. Trykk på Start-knappen for å starte en sanntidsmåling av membrankaasitatans (Cm) og membranledning (Gm). Cm verdier for typiske tBLMer bør være i området 12,5 nF til 15,5 nF for 10% tethered kjemier21,22.
    8. Når du har kjørt protokollen og fullført eksperimentet, lagrer du dataene.
    9. Gjenta målingen med neste brønn.

2. Laserbestråling

  1. Eksperimentelt oppsett
    MERK: Det skreddersydde systemet er satt opp for hver tBLM godt individuelt.
    1. Utfør eksperimenter i en lyssikker boks for å minimere laseren farlig.
    2. Bruk en optikktabell til å konfigurere eksperimentet for å redusere uønskede vibrasjoner.
    3. Plasser impedansleseren, hvor er gullsklie er koblet til, på et XYZ-stadium og løft slik at den sitter i laserkildens bane.
    4. Bruk mikroskopisk gir med grov fin fokusering for å kontrollere høyden på laserkilden for å oppnå riktig presisjon.
    5. Mål laserbanen langs den langsgående aksen til elektrodeskuffen.
      FORSIKTIG: Bruk alltid egnede laserbriller og oppretthold gode lasersikkerhetsprotokoller.
    6. La den valgte innstilte laseren stabilisere seg før du starter eksperimentet.
      MERK: Et skjema av det eksperimentelle oppsettet er illustrert i figur 2A.
  2. Justering av laser- og gullelektroder
    MERK: Før du begynner, må du alltid vurdere lasereffekten ved hjelp av en kraftmåler for å sikre at bare svært lave wattstyrker leveres til tBLMene.
    1. Juster enten laserbanen eller elektrodens vinkel slik at laseren passerer gjennom væsken som dekker elektroden og bare er synlig, jevnt, på gulloverflaten.
    2. Juster laserstrålelysposisjonen for hvert eksperiment ved å heve eller senke laserstrålekilden ved hjelp av finjusteringen mens du observerer endringer i membranledning.
    3. Lås knotten for å sikre plasseringen av laserbanen når det ikke er observert noen ledningsendringer.
      MERK: Økte membranledningsverdier genereres når laseren samhandler med den underliggende gullelektroden. Det er derfor viktig å justere laserbanen slik at ingen slike interaksjoner er mulig.
  3. Prøvepreparering
    1. Klargjør laserstrålelysjusteringen (der det ikke er noen endring i membranledning), som vist i figur 2, posisjon 3.
    2. Legg til GNPer av interesse (funksjonalisert eller naken) i PBS-bufferen der tBLMene er nedsenket mens laseren slås AV.
    3. Bland PBS-bufferen rundt tBLMene forsiktig tre ganger, og vær forsiktig så du ikke berører elektroden.
    4. Inkuber i 5-10 min ved romtemperatur.
    5. Slå laseren PÅ for å bestråle prøven ved hjelp av riktig justert laserstrålelysposisjon som vist i figur 2, posisjon 3.
    6. Bruk riktig kombinasjon av GNPs størrelse, form og konsentrasjon med laserlysbølgelengde.
      MERK: Laserstrålen med innstilt bølgelengde skal kobles til den tilsvarende GNP-plasmonresonansfrekvensen.
    7. Registrer målt strøm kontinuerlig (sanntidsmålinger).
    8. Utfør trinn 2.2.1 - 2.3.7, og utelat GNP-tillegg for kontrolleksperimentene.

3. Statistisk dataanalyse og presentasjon

  1. Eksportere dataene til et regneark.
  2. Trekk ut membranledningsparameteren versus tiden.
  3. Bruk de registrerte dataene etter at du har satt et laserstrålelys med riktig posisjon og før GNPs introduksjon.
  4. Normaliser data ved å dele den målte membranledningsevnen over baseline membranledningsevnen.
    MERK: Dette bekrefter at relative endringer i membranledningsverdier fremkalt av introduserte bestrålede BNP-er.
  5. Presentere data som tidsplott (x-akse) kontra normalisert membranledning (y-akse).

4. Forutsi mengden lokalisert varme som genereres i tBLM-ene fra bestrålede nanopartikler (termisk prediktiv modell)

  1. Løs strålingsoverføringsproblemet i henhold til Dombrovsky23, for å beregne absorbert strålingskraft i bestrålede nanopartikkelløsninger.
  2. Beregn varmeproduksjonen ved å inkorporere varmekilden på grunn av absorbert stråling i energiligningen.
    MERK: For en detaljert forklaring av den numeriske analysen av varmegenerering i tBLM-ene fra bestrålede nanopartikler og nanomateriale-elektrodegrensesnittet, se 19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Gullunderlaget som tBLMer kan opprettes på, vises i figur 1. Et skjema av det eksperimentelle oppsettet presenteres i figur 2.

Coplanar gullelektroder, som vist i figur 1A, er laget av 25 mm x 75 mm x 1 mm polykarbonatbaseunderlag med mønstrede gullmatriser. Et gjennomsiktig klebemiddellag definerer de seks individuelle målekamrene. Den coplanare gullelektroden tillater direkte eksponering av laserlyset til tBLMs membran. Hver brønn i elektrodematrisen inneholder en sirkelformet arbeidselektrode (område: 0,707 cm2) og halvsirkelformet motelektrode eller coplanarelektrode (område: ~ 0,725 cm2), som er skilt med et gap på ~ 2 mm. Det gjennomsiktige klebemiddellaget isolerer resten av det avsatte gullet fra bulkelektrolytten. I motsetning til dette kobler den underliggende gulloppsettet arbeidselektrodene til kontaktområder utenfor målekamrene for å gi den elektriske tilkoblingen til EIS-leseren uten behov for referanseelektrode.

Laserbanen er justert på en måte der den samhandler med tBLM-ene og er spredt gjennom væskebufferen som omgir den, men ikke slik at den kan samhandle med det underliggende gullsubstratet. Dette bestemmes lett via horisontal heving og senking av laseren til riktig posisjon er etablert. Denne posisjonen er bare på det punktet hvor ingen endringer i membranledning kan observeres. Gitt at tBLMs dannes ved vedlegg til et substratlag av bulkgull, virker det sannsynlig at endringene i membranledning i posisjon 1 og 2 i figur 2 er et resultat av varme fra interaksjoner mellom laseren med nanostrukturer i det sputtered bulkgulllaget. Dermed bruker du den nøyaktige posisjonen til horisontal lysstrålejustering med fokus på å eliminere samspillet mellom laserlyset og bulkgullunderlaget som finnes under tBLMene.

Fokusering av det horisontale laserlyset direkte mot gullelektroden fører til en økning i membranledning, som presentert i figur 2, posisjon 1 og 2. Den nøyaktige laserposisjonen viste ubetydelig variasjon i membranledningsopptakene i begge perioder med laser PÅ og laser AV (Figur 2B, posisjon 3). GNP-eksemplet ble lagt til etter etablering av basislinjeopptak, som vist i figur 2, posisjon 3. Tilsetningen av streptavidin-konjugerte 30 nm gull nanopartikler til tBLMer som inneholdt biotinylert kolesterol viste en klar forskjell mellom laser på og av perioder, samt i forhold til posisjon 3, med tydelig økning i ledningsamplitude under laser ON-fasen (Figur 2B, posisjon 4).

Figure 1
Figur 1: Skjematisk representasjon av den tethered bilayer lipidmembranen (tBLM) på et gullsubstrat. (A) Coplanar gullelektrode glir med seks brønner, til slutt definert ved tilsetning av et tynt gjennomsiktig limlag. (B) TBLM-modellen består av avstandsstykker (etylenglykolkjeder endte med en hydroksylgruppe) og tethered molekyler (etylenglykolgrupper endte med hydrofob fytanylkjede) til gullsubstratoverflaten for å danne det første laget. Det andre laget inkluderer de ikke-tethered lipidene. Den modifiserte figuren var basert på Cornell et al.24. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Illustrasjon av analyseoppsettet for justering og tilsvarende endringer i målemembranledning på tvers av tBLM-er som følge av laserbelysning ( λ = 530 nm). (A) Skjematisk representant for de forskjellige posisjonene for horisontal laserjustering; der posisjon 1: laserlysstrålen på linje med gullsubstratet (når laseren ble slått PÅ er angitt i rødt); posisjon 2 det horisontale laserlyset blandet med membran og gullsubstrat; posisjon 3 laserlys fokusert inn i bulkvæsken rundt tBLMer; Posisjon 4 laserstrålelys fokusert inn i væsken rundt tBLM-ene i nærvær av streptavidin-konjugerte 30 nm sfæriske GNPer. (B) Normaliserte ledningsopptak over tid tilsvarer de forskjellige justeringsposisjonene. Posisjon 1, 2 og 3 målinger av tBLMs ledning i fravær av GNPer, mens posisjon 4 er en måling av tBLMs ledning i nærvær av streptavidin-konjugert 30 nm sfæriske GNPer. Membranledningsverdiene ble normalisert til startverdien av membranledning ved tBLMs dannelse. Resultatene er representative for minst tre uavhengige eksperimenter. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne protokollen beskriver bruken av tBLM-modellen med et coplanar elektrode-substrat i forbindelse med et horisontalt laserjusteringsoppsett som muliggjør elektrisk impedansopptak i sanntid som svar på laserbestråling av gullnanopartikler. Metoden for EIS-opptak presentert her konstruerer en minimal liste over eksperimenter som er nødvendige for å gi opptak av ionstrømendringer over membranen, noe som tilsvarer varmen som genereres av den koblede laser- og gull nanopartikkelinteraksjonen. Det er et kritisk skritt i denne protokollen, som er den forsiktige og presise justeringen av laserbanen mot bufferen rundt bilayer lipidmembranen.

Bruken av tBLM-modellen gir distinkte elektriske tetningsegenskaper som etterligner naturlige lipidmembraner egenskaper24. tBLMs gir også en vandig ionisk reservoarregion mellom gullsubstratet og den senere dannede membranen, hvor de tethered molekylene og avstandsmolekylet hadde en tykkelse på 11 Å25, og bilayer lipidmembrantykkelsen var rundt 6,5 nm19. Dette kan gi plass til å inkorporere membranproteiner, ionkanaler eller andre spesifikke funksjonaliserte molekyler13,22. Utvalget av 70% DPEPC og 30% BNPE lipider gir optimal forsegling av bilayer lipidmembran for å undersøke de elektriske egenskapene til tBLMer ved hjelp av EIS-system24. På samme måte etterligner innføringen av kolesterol i bilayer lipidmembraner nøye innfødte biomimetiske modellmembraner. Kolesterol moieties forbedre bilayer lipidmembran stabilitet, samt minimere membranen permeabilitet til ioner ved å gi høy pakking av fosfolipid bilayer26,27. Ved å kombinere tBLMer med EIS-systemet får du indirekte måling av varmeoverføring mellom bestrålede NMP-er og bilayer lipidmembraner. Videre muliggjør bruk av coplanar gullelektroder i denne protokollen sanntids EIS-målinger uten forstyrrelser fra referanse- eller motelektroder.

Gull i nanopartikkelskalaen har forskjellige fysiske og optiske egenskaper til større gullaggregater. Størrelsen og formen på nanopartikkelen får tilgang til biofordeling, sirkulasjonslevetid og celleopptak, hvor nanopartikler av mellomliggende størrelser (20-60 nm) viser maksimalt celleopptak samt tilbyr et høyt overflateareal til volumforhold, noe som muliggjør etterfølgende funksjonalisering28,29. Den implementerte 30 nm GNP-størrelsen i denne studien representerte mellomliggende GNPs størrelser, mens laserbølgelengdevalget var i henhold til absorpsjonstoppen til GNPer for å gi den mest effektive eksitasjonen, noe som følgelig fører til oppvarming. Laserbelysningen av tBLMs gulloverflater hever membranledningstoppene i laser-ON-fasen. Dette foreslås å være et resultat av bulk gull overflate nanostrukturer som samhandler med laseren, noe som vil maskere varmeproduksjonsfenomener etter tilsetning av GNPs30. For å overvinne dette lyser den utviklede tilnærmingen her GNPer ved hjelp av horisontal laserjustering over lipidbuffergrensesnittet, som illustrert i figur 2, posisjon 3 og 4.

Protokollene beskrevet her kan endres lett ved å endre lipidsammensetningen av membranen for å etterligne ulike naturlige celletyper, eller ved å endre den introduserte GNPs størrelse og form som 100 nm gull nanourchins med tilhørende laserstrålelys19. Dette kan deretter brukes til å bestemme virkningen av lokaliserte BNP-er indusert stråling på bestemte celletyper.

Oppsummert fungerer denne protokollen som en robust deteksjonsbiosensor for å studere interaksjoner mellom in situ bestrålede GNPer med modell bilayer lipidmembranenheter av interesse for å svare på spørsmål om varmeoverføringsfenomener. Dette vil bidra til å utvikle mer effektive fototermale terapier, samt gi verdifull informasjon for detaljerte mekanismer for varmeoverføring innen biologiske systemer. Denne tilnærmingen kan brukes som et verktøy for prediksjon av nivået av cellemembranødeleggelse som kan oppleves av disse oppvarmede nanopartiklene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne erklærer følgende økonomiske interesser / personlige forhold, som kan betraktes som potensielle konkurrerende interesser: Prof Bruce Cornell er direktør - Vitenskap og teknologi ved Surgical Diagnostics SDx tethered membraner Pty. Ltd.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av Australian Research Council (ARC) Discovery Program (DP150101065) og ARC Research Hub for Integrated Device for End-user Analysis at Low-levels (IDEAL) (IH150100028).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
30 nm diameter streptavidin-conjugated gold nanoparticles Cytodiagnostics AC-30-04-05 This is a streptavidin-conjugated GNPs product ready for use
30 nm diameter bare gold nanoparticles Sigma-Aldrich 753629 This is a bare GNPs product ready for use
Cholesterol-PEG-Biotin (MW1000) NANOCS PG2-BNCS-10k Dissolved in highly pure ethanol
C20 Diphytanyl-Glycero-Phosphatidylcholine lipids SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. SDx-S1 1 ml glass vial containing 70% C16 diphytanyl phosphatidylcholine (DPEPC) and 30% C16 diphytanyl glycerol (GDPE) in 99.9% ethanol
Benzyl-disulfide-tetra-ethyleneglycol-OH SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. SDx-S2 Spacer molecules
Benzyl-disulfide (tetra-ethyleneglycol) n=2 C20-phytanyl  SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. SDx-S2 Tethered molecules
532 nm green laser continuous light OBIS LS/OBIS CORE LS, China ND-1000 The power of this laser was ~135 mW 
tethaPod EIS reader SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. SDx-R1 A reader of conductance and capacitance on six channels simultaneously
tethaPlate cartridge assembly SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. SDx-BG Materials to attach the slide with electrodes to the flow cell cartridge
Clamp and slide assembly jig SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. SDx-A1 Materials to attach the slide with electrodes to the flow cell cartridge
Lipid coated coplanar gold electrodes SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. SDx-T10 Coplanar  gold electrodes are made from 25 mm x 75 mm x 1 mm polycarbonate base substrate with patterned gold arrays layout, then coated with benzyldisulphide, bis-tetraethylene glycol C16 phytanyl half membrane spanning tethers in a tether ratio of 10% 
tethaQuick software SDx Tethered Membranes Pty. Ltd. SDx-B1 Software for use with tethaPod to process data and display conductance, impedance and capacitance measurements from the tethaPlate electrodes
 99.9% Pure ethanol Sigma-Aldrich  34963 Absolute,  99.9%
Phosphate buffered saline (PBS) Sigma-Aldrich P4417 pH 7

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Her, S., Jaffray, D. A., Allen, C. Gold nanoparticles for applications in cancer radiotherapy: Mechanisms and recent advancements. Advanced Drug Delivery Reviews. 109, 84-101 (2017).
  2. Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Killingsworth, M. C., Xu, X., Cortie, M. B. Targeted destruction of murine macrophage cells with bioconjugated gold nanorods. Journal of Nanoparticle Research. 9 (6), 1109-1124 (2007).
  3. Pissuwan, D., Valenzuela, S. M., Miller, C. M., Cortie, M. B. A golden bullet? Selective targeting of Toxoplasma gondii tachyzoites using antibody-functionalized gold nanorods. Nano Letters. 7 (12), 3808-3812 (2007).
  4. Zhang, H. -G., Mehta, K., Cohen, P., Guha, C. Hyperthermia on immune regulation: a temperature's story. Cancer Letters. 271 (2), 191-204 (2008).
  5. Gobin, A. M., et al. Near-infrared resonant nanoshells for combined optical imaging and photothermal cancer therapy. Nano Letters. 7 (7), 1929-1934 (2007).
  6. Jackson, J. B., Halas, N. J. Surface-enhanced Raman scattering on tunable plasmonic nanoparticle substrates. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (52), 17930-17935 (2004).
  7. Emelianov, S. Y., Li, P. -C., O'Donnell, M. Photoacoustics for molecular imaging and therapy. Physics Today. 62 (8), 34 (2009).
  8. Dimitriou, N. M., et al. Gold nanoparticles, radiations and the immune system: Current insights into the physical mechanisms and the biological interactions of this new alliance towards cancer therapy. Pharmacology & Therapeutics. 178, 1-17 (2017).
  9. Mueller, P., Rudin, D. O., Tien, H. T., Wescott, W. C. Reconstitution of cell membrane structure in vitro and its transformation into an excitable system. Nature. 194 (4832), 979 (1962).
  10. Tamm, L. K., McConnell, H. M. Supported phospholipid bilayers. Biophysical Journal. 47 (1), 105-113 (1985).
  11. Plant, A. L. Supported hybrid bilayer membranes as rugged cell membrane mimics. Langmuir. 15 (15), 5128-5135 (1999).
  12. Sackmann, E. Supported membranes: scientific and practical applications. Science. 271 (5245), 43-48 (1996).
  13. Alghalayini, A., Garcia, A., Berry, T., Cranfield, C. G. The Use of Tethered Bilayer Lipid Membranes to Identify the Mechanisms of Antimicrobial Peptide Interactions with Lipid Bilayers. Antibiotics. 8 (1), 12 (2019).
  14. Khan, M. S., Dosoky, N. S., Williams, J. D. Engineering lipid bilayer membranes for protein studies. International Journal of Molecular Sciences. 14 (11), 21561-21597 (2013).
  15. Urban, P., Kirchner, S. R., Mühlbauer, C., Lohmüller, T., Feldmann, J. Reversible control of current across lipid membranes by local heating. Scientific Reports. 6, 22686 (2016).
  16. Palankar, R., et al. Nanoplasmonically-induced defects in lipid membrane monitored by ion current: transient nanopores versus membrane rupture. Nano Letters. 14 (8), 4273-4279 (2014).
  17. Bendix, P. M., Reihani, S. N. S., Oddershede, L. B. Direct measurements of heating by electromagnetically trapped gold nanoparticles on supported lipid bilayers. ACS Nano. 4 (4), 2256-2262 (2010).
  18. Plaksin, M., Shapira, E., Kimmel, E., Shoham, S. Thermal transients excite neurons through universal intramembrane mechanoelectrical effects. Physical Review X. 8 (1), 011043 (2018).
  19. Alghalayini, A., et al. Real-time monitoring of heat transfer between gold nanoparticles and tethered bilayer lipid membranes. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. , 183334 (2020).
  20. Moradi-Monfared, S., Krishnamurthy, V., Cornell, B. A molecular machine biosensor: construction, predictive models and experimental studies. Biosensors and Bioelectronics. 34 (1), 261-266 (2012).
  21. Hoiles, W., Gupta, R., Cornell, B., Cranfield, C., Krishnamurthy, V. The effect of tethers on artificial cell membranes: A coarse-grained molecular dynamics study. PloS One. 11 (10), 0162790 (2016).
  22. Cranfield, C. G., et al. Transient potential gradients and impedance measures of tethered bilayer lipid membranes: pore-forming peptide insertion and the effect of electroporation. Biophysical Journal. 106 (1), 182-189 (2014).
  23. Dombrovsky, L. A. Radiation heat transfer in disperse systems. , Begell House. (1996).
  24. Cornell, B. A., Braach-Maksvytis, V., King, L., Osman, P. A biosensor that uses ion-channel switches. Nature. 387 (6633), 580 (1997).
  25. Maccarini, M., et al. Nanostructural determination of a lipid bilayer tethered to a gold substrate. The European Physical Journal E. 39 (12), 123 (2016).
  26. Beugin-Deroo, S., Ollivon, M., Lesieur, S. Bilayer stability and impermeability of nonionic surfactant vesicles sterically stabilized by PEG-cholesterol conjugates. Journal of Colloid and Interface Science. 202 (2), 324-333 (1998).
  27. Kendall, J. K., et al. Effect of the Structure of Cholesterol-Based Tethered Bilayer Lipid Membranes on Ionophore Activity. ChemPhysChem. 11 (10), 2191-2198 (2010).
  28. Jiang, W., Kim, B. Y., Rutka, J. T., Chan, W. C. Nanoparticle-mediated cellular response is size-dependent. Nature Nanotechnology. 3 (3), 145 (2008).
  29. He, C., Hu, Y., Yin, L., Tang, C., Yin, C. Effects of particle size and surface charge on cellular uptake and biodistribution of polymeric nanoparticles. Biomaterials. 31 (13), 3657-3666 (2010).
  30. Wang, F. X., et al. Surface and bulk contributions to the second-order nonlinear optical response of a gold film. Physical Review B. 80 (23), 233402 (2009).

Tags

Biologi Utgave 166 Tethered bilayer lipidmembraner (tBLMer) Biosensor Gull nanopartikler Laser Varmeoverføring Membrandynamikk
Tethered Bilayer Lipid membraner for å overvåke varmeoverføring mellom gull nanopartikler og lipidmembraner
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Alghalayini, A., Jiang, L., Gu, X.,… More

Alghalayini, A., Jiang, L., Gu, X., Yeoh, G. H., Cranfield, C. G., Timchenko, V., Cornell, B. A., Valenzuela, S. M. Tethered Bilayer Lipid Membranes to Monitor Heat Transfer between Gold Nanoparticles and Lipid Membranes. J. Vis. Exp. (166), e61851, doi:10.3791/61851 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter