Waiting
Login processing...

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

Biology

Привязанные двухслойные липидные мембраны для мониторинга теплопередачи между наночастицами золота и липидными мембранами

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

В этой работе описывается протокол для достижения динамического, неинвазивного мониторинга теплопередачи от облученных лазером наночастиц золота к tBLM. Система сочетает в себе импедансную спектроскопию для измерения изменений проводимости в реальном времени в tBLM с горизонтально сфокусированной лазерной лучом, которая управляет освещением наночастиц золота, для производства тепла.

Abstract

Здесь мы сообщаем о протоколе исследования теплопередачи между облученными наночастицами золота (GGNP) и двухслойными липидными мембранами с помощью электрохимии с использованием привязанных двухслойных липидных мембран (tBLM), собранных на золотых электродах. Облученные модифицированные ГПН, такие как стрептавидин-конъюгированные ГПН, встроены в tBLM, содержащие молекулы-мишени, такие как биотин. Используя этот подход, процессы теплопередачи между облученными ГНН и модельной двухслойной липидной мембраной с объектами, представляющими интерес, опосредованы горизонтально сфокусированным лазерным лучом. Тепловая прогностическая вычислительная модель используется для подтверждения электрохимически индуцированных изменений проводимости в tBLM. В определенных условиях обнаружения тепловых импульсов требовалось специфическое прикрепление наночастиц золота к поверхности мембраны, в то время как несвязанные наночастицы золота не смогли вызвать измеримый ответ. Этот метод служит мощным биосенсором обнаружения, который может быть непосредственно использован для проектирования и разработки стратегий тепловой терапии, которая позволяет оптимизировать параметры лазера, размер частиц, покрытия частиц и состав.

Introduction

Гипертермические характеристики облученных наноматериалов золота предлагают новый класс минимально инвазивного, селективного, целенаправленного лечения инфекций иопухолей1. Применение наночастиц, которые могут быть нагреты лазером, было использовано для избирательного уничтожения больных клеток, а также для обеспечения средства для селективной доставки лекарств2,3. Следствием явлений фототермолиза нагретых плазмонных наночастиц является повреждение клеточных мембран. Жидко-липидная двухслойная мембрана считается особенно уязвимым местом для клеток, проходящих такое лечение, поскольку денатурация внутренних мембранных белков, а также повреждение мембраны также могут привести к гибели клеток4,поскольку многие белки существуют для поддержания градиента ионного потенциала через клеточные мембраны. В то время как способность определять и контролировать теплопередачу на наноуровне представляет ключевой интерес для изучения и применения облученных ГПН1,5,6,7,оценки и понимания молекулярных взаимодействий между ГПН и биомембранами, а также прямых последствий лазерно-индуцированных явлений нагрева встроенных ГПН в биологических тканях, еще предстоит полностью прояснить8. Поэтому глубокое понимание процесса гипертермии облученных ГПН остается проблемой. Таким образом, разработка интерфейса наноматериал-электрод, который имитирует естественную среду клеток, может обеспечить средство для проведения углубленного исследования характеристик теплопередачи облученных наночастиц золота в биологических системах.

Сложность нативных клеточных мембран является одной из значительных проблем в понимании взаимодействий облученных ГПН в клетках. Были разработаны различные искусственные мембранные платформы для обеспечения близких простых биомиметических версий архитектуры и функциональности естественной липидной мембраны, включая, но не ограничиваясь ими, черные липидные мембраны9,поддерживаемые планарные бислойные мембраны10,гибридные двухслойные мембраны11,полимерные амортизированные липидные двухслойные мембраны12 и привязанные двухслойные липидные мембраны13. Каждая модель искусственной липидной мембраны имеет явные преимущества и ограничения в отношении имитации естественных липидных мембран14.

Это исследование описывает использование электродов с липидным мембранным покрытием в качестве датчика для оценки взаимодействия наночастиц золота и липидной мембраны с использованием модели tBLM. Схема обнаружения биосенсоров на основе tBLM обеспечивает присущую им стабильность ичувствительность 13, поскольку привязанные мембраны могут самовоспроизводиться, в отличие от других систем (таких как мембраны, образованные патч-зажимом или липосомами), в которых только небольшое количество повреждений мембран приводит к их коллапсу15,16,17,18. Кроме того, поскольку tBLM имеют размерымм 2, фоновое сопротивление на порядки ниже, чем методы записи патч-зажима, что позволяет регистрировать изменения в ионном потоке базальной мембраны из-за взаимодействий наночастиц. В результате этого настоящий протокол может противопоставлять изменения в проводимости мембраны связанными GNP, которые возбуждаются лазерами, мощность которых равна 135 нВт/мкм2.

Система, представленная здесь, обеспечивает чувствительный и воспроизводимый метод определения точных параметров лазера, размера частиц, покрытий частиц и состава, необходимых для проектирования и разработки тепловой терапии. Это имеет решающее значение для уточнения новых фототермических методов лечения, а также предлагает ценную информацию для подробных механизмов теплопередачи в биологических системах. Представленный протокол основан на ранее опубликованной работе19. Схема протокола выглядит следующим образом: первый раздел определяет формирование tBLM; во втором разделе описывается, как построить установку и выровнять источник лазера возбуждения; в заключительном разделе показано, как извлечь информацию из данных электроимпедантной спектроскопии.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Подготовка электродов tBLMs

  1. Приготовление первого однослойного покрытия
    1. Погрузите свеженапыленный золотой узорчатый электродный микроскопический слайд в этаноловый раствор, состоящий из соотношения 3 мМ 1:9 бензил-дисульфид-тетра-этиленгликоль-OH «спейсерных» молекул (бензилдисульфид содержал четыре кислородно-этиленгликолевых спейсера, заканчивающихся группой ОН) и бензилдисульфида (тетра-этиленгликоль) n=2 молекул C20-фитанила «привязанных». Это создает первый слой покрытия, к которому может быть прикреплен бислой.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Золотой электрод изготовлен путем испарения 100 нм, 99,9995% золотой (5n5 золота) пленки на пользовательские поликарбонатные слайды 25 мм х 75 мм20.
    2. Инкубировать электроды первым слоем при комнатной температуре не менее 1 ч.
    3. Промывайте золотые электроды, погружаясь в обильное количество чистого этанола в течение 30 с.
    4. Используйте золотую электродную горку с первым монослоем непосредственно для следующего шага или храните в банке, полной чистого этанола.
    5. ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы обеспечить целостность первого слоя, сведите к минимуму любой прямой контакт с золотыми частями слайда
  2. Сборка первого монослойного слайда с покрытием
    1. Осторожно снимайте один копланарный золотой электрод из контейнера с помощью пинцета, следя за тем, чтобы не контактировать с узорчатыми областями, где будут формироваться tBLM.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Будьте внимательны, чтобы определить сторону слайда, на которую кладется золото.
    2. Воздушный сухой горка в течение 1 - 2 мин для удаления остатков этанола.
    3. Поместите золотой электрод на сухую поверхность, убедитесь, что золотой электрод правильно ориентирован с узорчатой золотой поверхностью, обращенной вверх.
    4. Очистите прозрачный клеевой слой от тонкого ламината и поместите на 6 каналов, чтобы определить каждую скважину.
    5. Используйте прижимный ролик для высвобождения любого воздуха между слайдом и прозрачным клеевым слоем, как показано на рисунке 1A.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время, необходимое для этого шага, должно быть оптимизировано исследователем. В этом протоколе время колеблется от 2-3 мин.
    6. Внесите как можно скорее (в течение 1-2 минут) второй липидный бислой в собранный первый монослойный электрод для самостоятельной сборки, чтобы избежать повреждения первого слоя.
  3. Получение второго липидного бислоя
    1. Добавьте 6 мкл липидов 3 мМ, представляющих интерес, в первую скважину из шести скважин. Не позволяйте краю наконечника микропипетки касаться золотой поверхности, что может повредить привязанные химикаты на электроде.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Липидная смесь, использованная в этой работе, состояла из 3 мМ 70% цвиттерионических C20 дифитанил-эфир-глицеро-фосфатидилхолин (DPEPC) и 30% C20 дифитанилдиглицеридных эфирных липидов (GDPE), смешанных с 3 мМ холестерин-ПЭГ-биотин в молярном соотношении 50:1.
    2. Вводят 6 мкл липидной смеси в другие скважины с зазором 10 с между каждым добавлением.
    3. Инкубировать каждую скважину ровно 2 мин при комнатной температуре перед обменом липидной смеси на электроды с буфером, таким как PBS. Размещайте время для добавления и буферного обмена на 10 с друг от друга, чтобы каждая скважина инкубировался с липидами ровно по 2 мин каждая.
    4. Промыть еще 3 раза 50 мкл буфера PBS (рН 7,0). Обязательно оставляйте 50 мкл буфера над электродами в любое время. Не позволяйте электродам высохнуть.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вытеснение растворителя этанола водным раствором таким образом (метод обмена растворителем)позволяет быстро сформировать один липидный бислой, закрепленный на золотом электроде через привязанные химические вещества.
  4. Тестирование образования tBLM с помощью измерений электрической импедансной спектроскопии (EIS)
    1. Вставьте подготовленный электродный слайд в импедантный спектрометр переменного тока (например, Тетапод). Убедитесь, что спектрометр подключен через USB-порт к компьютеру, на котором запущено программное обеспечение.
    2. Откройте программное обеспечение, нажмите настройка и откройте Оборудование.
    3. Установите аппаратные настройки для использования возбуждения переменного тока от пика до пика 25 мВ.
    4. Установите частоты от 0,1 до 10 000 Гц с двумя шагами в десятилетие для измерения быстрого импеданса, нажмите ok.
    5. Откройте меню Настройка и откройте Модель.
    6. Используйте эквивалентную модель схемы, которая описывает привязанный золотой электрод как постоянный фазовый элемент последовательно с резистором, описывающим буфер электролита и параллельную резисторно-конденсаторную сеть, чтобы описать липидный бислой, и нажмите OK.
    7. Нажмите кнопку Start, чтобы начать измерение емкости мембраны (Cm)и мембранной проводимости (Gm)в режиме реального времени. Значения Cm типичных tBLM должны находиться в диапазоне от 12,5 нФ до 15,5 нФ для 10% привязанных химических21,22.
    8. После запуска протокола и завершения эксперимента сохраните данные.
    9. Повторите измерение со следующей скважиной.

2. Лазерное облучение

  1. Экспериментальная установка
    ПРИМЕЧАНИЕ: Индивидуальная система настраивается для каждой скважины tBLM индивидуально.
    1. Проводите эксперименты в светонепроницаемой коробке, чтобы свести к минимуму опасность лазера.
    2. Используйте стол оптики, чтобы настроить эксперимент на уменьшение нежелательных вибраций.
    3. Поместите импедансный считыватель, где подключен золотой слайд, на ступень XYZ и поднимите так, чтобы он сидел на пути лазерного источника.
    4. Используйте микроскопическое зацепляние с грубой фокусировки для управления высотой лазерного источника для достижения соответствующей точности.
    5. Наведите лазерный путь вдоль продольной оси скольжения электрода.
      ВНИМАНИЕ: Всегда носите подходящие лазерные защитные очки и соблюдайте хорошие протоколы лазерной безопасности.
    6. Позвольте выбранному настроенной лазеру стабилизироваться перед началом эксперимента.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Схема экспериментальной установки проиллюстрирована на рисунке 2А.
  2. Выравнивание лазерных и золотых электродов
    ПРИМЕЧАНИЕ: Перед началом всегда оценивайте выходную мощность лазера с помощью измерителя мощности, чтобы обеспечить доставку только очень низкой мощности на tBLM.
    1. Отрегулируйте либо траекторию лазера, либо угол электрода таким образом, чтобы лазер проходил через жидкость, покрывающую электрод, и был виден ровно на поверхности золота.
    2. Отрегулируйте положение лазерного луча для каждого эксперимента, поднимая или опуская источник лазерного луча с помощью тонкой регулировки при наблюдении за изменениями в проводимости мембраны.
    3. Зафиксируйте ручку, чтобы закрепить положение лазерного тракта, когда не наблюдается изменений проводимости.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Повышенные значения проводимости мембраны будут генерироваться, когда лазер взаимодействует с лежащим в основе золотым электродом. Поэтому важно настроить траекторию лазера таким образом, чтобы такие взаимодействия были невозможны.
  3. Пробоподготовка
    1. Подготовьте выравнивание света лазерным лучом (где нет изменения проводимости мембраны), как показано на рисунке 2,положение 3.
    2. Добавьте интересующих GGNP (функционализированные или голые) в буфер PBS, в который погружаются tBLM, а лазер выключен.
    3. Смешайте буфер PBS, окружающий tBLM, осторожно три раза, стараясь не коснуться электрода.
    4. Инкубировать в течение 5-10 мин при комнатной температуре.
    5. Включите лазер для облучения образца, используя правильное положение света выровненного лазерного луча, как показано на рисунке 2,положение 3.
    6. Используйте соответствующую комбинацию размера, формы и концентрации GNP с длиной волны лазерного света.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Лазерный луч заданной длины волны должен соединяться с соответствующей частотой плазмонного резонанса GNP.
    7. Непрерывно записывайте измеренный ток (измерения в режиме реального времени).
    8. Выполните шаги 2.2.1 - 2.3.7, исключив добавление ВНП для контрольных экспериментов.

3. Анализ и представление статистических данных

  1. Экспортируйте данные в электронную таблицу.
  2. Извлеките параметр проводимости мембраны в сравнении со временем.
  3. Используйте записанные данные после установки лазерного луча с правильным положением и до введения ГПН.
  4. Нормализуйте данные, разделив измеренную мембранную проводимость на базовую проводимость мембраны.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Это подтверждает относительные изменения значений мембранной проводимости, вызванные введенными облученными ГПН.
  5. Представление данных в виде графиков времени (ось X) по сравнению с нормализованной мембранной проводимости (ось Y).

4. Прогнозирование количества локализованного тепла, генерируемого в tBLM из облученных наночастиц (тепловая прогностическая модель)

  1. Решить задачу переноса излучения по Домбровскому23,чтобы рассчитать поглощенную мощность излучения в облученных растворах наночастиц.
  2. Рассчитайте выработку тепла, включив источник тепла из-за поглощенного излучения в энергетическое уравнение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Подробное объяснение численного анализа теплогенерации в tBLM из облученных наночастиц и интерфейса наноматериал-электрод см. в 19.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Золотая подложка, на которой могут быть созданы tBLM, показана на рисунке 1. Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2.

Копланарные золотые электроды, как показано на рисунке 1А,изготавливаются из подложки из поликарбоната размером 25 мм х 75 мм х 1 мм с узорчатыми золотыми массивами. Прозрачный клеевой слой определяет шесть отдельных измерительных камер. Копланарный золотой электрод позволяет напрямую воздейовывать лазерный свет на мембрану tBLMs. Каждая скважина электродного массива содержит окружной рабочий электрод (площадь: 0,707см2)и полукругловидный встречный электрод или копланарный электрод (площадь: ~ 0,725см2),которые разделены зазором ~2 мм. Прозрачный клеевой слой изолирует остальную часть осажденного золота от объемного электролита. Напротив, базовая золотая компоновка соединяет рабочие электроды с контактными областями за пределами измерительных камер, чтобы обеспечить электрическое подключение к считывателю EIS без необходимости использования опорного электрода.

Лазерный путь выровнен таким образом, что он взаимодействует с tBLM и рассеивается через жидкий буфер, окружающий его, но не таким образом, чтобы он мог взаимодействовать с подстилающей золотой подложкой. Это легко определить с помощью горизонтального подъема и опускания лазера до тех пор, пока не будет установлено правильное положение. Это положение находится как раз в точке, где не наблюдается никаких изменений в проводимости мембраны. Учитывая, что tBLM образуются путем прикрепления к слою подложки объемного золота, представляется вероятным, что изменения в проводимости мембраны в положениях 1 и 2 на рисунке 2 являются результатом тепла от взаимодействий лазера с наноструктурами внутри распыленного слоя объемного золота. Таким образом, используя точное положение горизонтального выравнивания светового пучка, фокусируясь на устранении взаимодействия между лазерным светом и объемной золотой подложкой, найденной ниже tBLM.

Фокусировка горизонтального лазерного света непосредственно к золотому электроду вызывает увеличение проводимости мембраны, как показано на рисунке 2,положение 1 и 2. Точное положение лазера выявило незначительное изменение записей мембранной проводимости в течение обоих периодов лазерного ON и лазерного ВЫКЛЮЧЕНИЯ(рисунок 2B,положение 3). Выборка ВНП была добавлена после установления базовых записей, как показано на рисунке 2,позиция 3. Добавление стрептавидин-конъюгированных 30 нм наночастиц золота к tBLM, которые содержали биотинилированный холестерин, показало четкую разницу между периодами ON и OFF лазера, а также по сравнению с позицией 3, с отчетливым увеличением амплитуды проводимости во время фазы ONлазера (рисунок 2B,позиция 4).

Figure 1
Рисунок 1:Схематическое изображение модели привязанной двухслойной липидной мембраны (tBLM) на золотой подложке. (A) Копланарное золотое электродное скольжение с шестью скважинами, в конечном счете определяемое добавлением тонкого прозрачного клеевого слоя. (B) Модель tBLM включает в себя прокладочные (этиленгликольные цепи, заканчивающиеся гидроксильной группой) и привязанные молекулы (этиленгликольные группы, заканчивающиеся гидрофобной фитаниловой цепью) тросы к поверхности золотой подложки с образованием первого слоя. Второй слой включает в себя непривязанные липиды. Модифицированная цифра была основана на Cornell et al.24. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2:Иллюстрация настройки анализа для выравнивания и соответствующих изменений проводимости измерительной мембраны в tBLM, возникающих в результате лазерного освещения (λ = 530 нм). (A) Схематический репрезентативный для различных положений горизонтального лазерного выравнивания; где Позиция 1: луч лазерного света, выровненный с золотой подложкой (при включении лазера обозначается красным цветом); положение 2 горизонтальный лазерный свет, смешанный с мембраной и золотой подложкой; положение 3 лазерный свет, сфокусированный в объемной жидкости, окружающей tBLM; Положение 4 лазерного луча, сфокусированного в жидкости, окружающей tBLM, в присутствии стрептавидин-сопряженных 30 нм сферических GGNP. (B) Нормализованные записи проводимости с течением времени соответствуют различным позициям выравнивания. Позиции 1, 2 и 3 измерения проводимости tBLM в отсутствие GNP, тогда как позиция 4 представляет собой измерение проводимости tBLM в присутствии стрептавидин-сопряженных 30 нм сферических GNPs. Значения мембранной проводимости нормализовали до начального значения мембранной проводимости при образовании tBLM. Результаты являются репрезентативными по крайней мере для трех независимых экспериментов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Этот протокол описывает использование модели tBLM с копланарной электродной подложкой в сочетании с установкой горизонтального лазерного выравнивания, которое позволяет регистрировать электрическое сопротивление в режиме реального времени в ответ на лазерное облучение наночастиц золота. Представленный здесь метод регистрации ЭИС строит минимальный список экспериментов, необходимых для обеспечения регистрации изменений ионного тока по всей мембране, что соответствует теплу, генерируемому взаимодействием связанных лазера и наночастиц золота. В этом протоколе есть критический шаг, который заключается в тщательном и точном выравнивании лазерного пути к буферу, окружающему двухслойную липидную мембрану.

Использование модели tBLM обеспечивает различные электрические уплотнительные свойства, которые имитируют характеристики естественных липидных мембран24. tBLMs также обеспечивают водный ионный резервуарный регион между золотой подложкой и впоследствии сформированной мембраной, где привязанные молекулы и спейсерная молекула имели толщину 11 Å25,а толщина бислойной липидной мембраны составляла около 6,5 нм19. Это может предложить пространство для включения мембранных белков, ионных каналов или других специфических функционализированных молекул13,22. Выбор 70% липидов DPEPC и 30% GDPE обеспечивает оптимальное уплотнение двухслойной липидной мембраны для изучения электрических характеристик tBLM с использованием системыEIS 24. Аналогичным образом, введение холестерина в двухслойные липидные мембраны близко имитирует нативные биомиметические модельные мембраны. Части холестерина улучшают стабильность двухслойной липидной мембраны, а также минимизируют проницаемость мембраны для ионов за счет обеспечения высокой упаковки фосфолипидного бислоя26,27. Объединение tBLM с системой EIS обеспечивает косвенное измерение теплопередачи между облученными ГНН и двухслойными липидными мембранами. Кроме того, использование копланарных золотых электродов в этом протоколе позволяет проводить измерения EIS в режиме реального времени без каких-либо помех от эталонных или встречных электродов.

Золото в масштабе наночастиц имеет различные физические и оптические характеристики по подобию более крупных золотых агрегатов. Размер и форма наночастиц имеют доступ к их биораспределению, времени циркуляции и поглощению клеток, где наночастицы промежуточных размеров (20-60 нм) демонстрируют максимальное поглощение клеток, а также предлагают высокое отношение площади поверхности к объему, что позволяет проводить последующую функционализацию28,29. Реализованный в этом исследовании размер ВНП 30 нм представлял собой промежуточные размеры GNP, в то время как выбор длины волны лазера был в соответствии с пиком поглощения GNP для получения наиболее эффективного возбуждения, что, следовательно, приводит к нагреву. Лазерное освещение золотых поверхностей tBLM повышает пики мембранной проводимости на фазе ON лазера. Предполагается, что это происходит в результате массивных наноструктур поверхности золота, которые взаимодействуют с лазером, что маскирует явления производства тепла после добавления GNPs30. Чтобы преодолеть это, разработанный здесь подход КПН освещаются с помощью горизонтального лазерного выравнивания по интерфейсу липид-буфер, как показано на рисунке 2,положение 3 и 4.

Протоколы, описанные здесь, могут быть легко модифицированы путем изменения липидного состава мембраны для имитации различных естественных типов клеток или путем изменения размера и формы введенных GGNP, таких как 100 нм золотых наноурхинок с соответствующим лазерным лучомсвета 19. Затем это может быть использовано для определения влияния локализованного излучения, индуцированного ГНО, на конкретные типы клеток.

Таким образом, этот протокол служит надежным биосенсором обнаружения для изучения взаимодействий облученных in situ ГНН с модельными двухслойными липидными мембранными объектами, представляющими интерес для ответа на вопросы о явлениях теплопередачи. Это поможет в разработке более эффективных фототермических методов лечения, а также предоставит ценную информацию для подробных механизмов теплопередачи в биологических системах. Этот подход может быть использован в качестве инструмента для прогнозирования уровня разрушения клеточной мембраны, который может быть испытан этими нагретыми наночастицами.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы заявляют о следующих финансовых интересах / личных отношениях, которые могут рассматриваться как потенциальные конкурирующие интересы: Профессор Брюс Корнелл является директором по науке и технологиям в Surgical Diagnostics SDx tethered membranes Pty. Ltd.

Acknowledgments

Эта работа была поддержана Австралийского исследовательского совета (ARC) Discovery Program (DP150101065) и Исследовательским центром ARC для интегрированного устройства для анализа конечных пользователей на низких уровнях (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

Биология Выпуск 166 Привязанные двухслойные липидные мембраны (tBLM) Биосенсор Наночастицы золота Лазер Теплопередача Мембранная динамика
Привязанные двухслойные липидные мембраны для мониторинга теплопередачи между наночастицами золота и липидными мембранами
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