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Nanoparticules virales végétales (VNPs) sont prometteurs plates-formes pour des applications dans le domaine biomédical. Ici, nous décrivons les procédures pour les installations VNP propagation, la purification, la caractérisation et la bioconjugaison. Enfin, nous montrons l'application de VNPs prise d'origine tumorale et d'imagerie en utilisant un modèle de xénogreffe de souris et l'imagerie de fluorescence.
L'utilisation des nanomatériaux a le potentiel de révolutionner la science des matériaux et de la médecine. À l'heure actuelle, un certain nombre de différentes nanoparticules sont étudiés pour des applications en imagerie et la thérapie. Nanoparticules virales (VNPs) dérivés de plantes peut être considérée comme auto-assemblées bionanomatériaux avec les tailles et formes définies. Les virus des plantes à l'étude dans le laboratoire Steinmetz comprendre des particules icosaédriques formés par virus de la mosaïque du niébé (CPMV) et virus de la mosaïque de Brome (BMV), qui sont tous deux à 30 nm de diamètre. Nous développons également des structures en forme de tige et filamenteux provenant des virus végétaux suivants: virus de la mosaïque du tabac (TMV), qui forme des tiges rigides avec des dimensions de 300 nm 18 nm par le virus de la pomme de terre, et X (PVX), qui forment des particules filamenteuses 515 nm de longueur et de 13 nm de largeur (le lecteur est renvoyé aux refs. 1 et 2 pour de plus amples informations sur VNPs).
dans la plante, sont exceptionnellement stable et biocompatible. En outre, VNPs sont «programmables» des unités, qui peuvent être spécialement conçus en utilisant des méthodes de modification génétique ou bioconjugaison chimiques 3. La structure de VNPs est connu pour une résolution atomique, et des modifications peuvent être effectuées avec une précision spatiale à l'échelle atomique 4, un niveau de contrôle qui ne peut pas être réalisé en utilisant des nanomatériaux synthétiques actuels avec state-of-the-art technologies.
Dans cet article, nous décrivons la propagation de CPMV, PVX, TMV, et BMV en Vigna ungiuculata et Nicotiana benthamiana. Protocoles d'extraction et de purification pour chaque VNP sont donnés. Méthodes de caractérisation des purifiées et chimiquement VNPs marqués sont décrits. Dans cette étude, nous nous concentrons sur chétiquetage des emical VNPs avec fluorophores (par exemple Alexa Fluor 647) et de polyéthylène glycol (PEG). Les colorants de faciliter le suivi et la détection des VNPs 5-10, et PEG réduit immunogénicité des nanoparticules protéiques tout en améliorant leurs propriétés pharmacocinétiques 8,11. Nous démontrons tumeur ralliement de VNPs PEGylées aide d'un modèle de xénogreffe de tumeur de souris. Une combinaison de l'imagerie de fluorescence des tissus ex vivo avec une carte Maestro du système d'imagerie, la quantification de fluorescence dans les tissus homogénéisés et la microscopie confocale est utilisée pour étudier la biodistribution. VNPs sont effacées par le système réticulo-endothélial (RES); tumeur homing est atteint passive par une perméabilité accrue et de rétention (EPR) Effet 12. La nanotechnologie VNP est un puissant plug-and-play à l'image de la technologie et de traiter les sites de la maladie in vivo. Nous développons davantage VNPs d'effectuer des cargaisons de drogue et des fragments d'imagerie clinique pertinents, ainsi que des ligands spécifiques d'un tissu àcibler des récepteurs moléculaires surexprimés dans le cancer et les maladies cardiovasculaires.
1. VNP (CPMV, BMV, PVX et TMV) Propagation
CPMV | PVX, TMV, et BMV |
Jour 0: Usine 3 niébé graines / pot. | Jour 0: Usine ~ 30 N. benthamiana graines / pot. Fertiliser une fois par semaine avec 1 cuillère à soupe d'engrais / 5 L d'eau. |
Jour 14: Re-pot N. benthamiana à 1 plant / pot. | |
Jour 10: infecter les feuilles feuilles primaires avec CPMV (5 μg/50 pl / feuille) par inoculation mécanique à l'aide d'une fine couche de carborundum. | Jour 28: Infect trois à five laisse avec PVX, TMV, ou BMV (5 μg/50 pl / feuille) par inoculation mécanique à l'aide d'une fine couche de carborundum. |
Feuilles de récolte et de stocker à -80 ° C: Jour 20 | Feuilles de récolte et de stocker à -80 ° C: Jour 42 |
Tableau 1. Calendrier de plus en plus, l'infection et la récolte des feuilles.
Remarque: seule la propagation CPMV est démontrée à titre d'exemple.
2. VNP (CPMV, BMV, PVX et TMV) Purification
Remarque: Toutes les étapes sont effectuées sur de la glace ou à 4 ° C.
CPMV et TMV | 0,1 M de tampon phosphate de potassium (pH 7,0) 38,5 mM KH 2 PO 4 61,5 mM de K 2 HPO 4 |
PVX | 0,5 M tampon borate (pH 7,8) 0,5 M d'acide borique Ajuster le pH avec NaOH |
BMV | SAMA tampon (pH 4,5) 250 mM d'acétate de sodium MgCl2 10 mM 2 mM de β-mercaptoéthanol (ajouter frais) |
Tableau 2. Tampons et leurs recettes pour chaque VNP.
Remarque: seule la propagation CPMV est démontrée à titre d'exemple.
3. VNP (CPMV, BMV, PVX et TMV) Caractérisation
4. Conjugaison chimique de VNPs avec le PEG et fluorophores, de purification et de caractérisation
5. Le ciblage de la tumeur et d'imagerie en utilisant un modèle de xénogreffe de souris
Remarque: les expériences de culture de tissus et d'études avec des animaux vivants ne sera pas démontrée. Démonstration pratique sera limitée au traitement des tissus et d'acquisition de données. Pour une référence sur le HT-29 modèle de xénogreffe de tumeur, le lecteur est renvoyé à la réf 19.
Trois techniques sont utilisées pour évaluer la tumeur ralliement de VNPs:
Remarque: Cette procédure ne sera pas démontrée, les données représentatives sont présentés dans la figure 8. Pour une référence sur l'immunohistochimie et les méthodes de coloration décrites, le lecteur est renvoyé à la réf 19.
Figure 1. Plant virus-infected plants. Vigna unguiculata plants infected with CPMV (A). Nicotiana benthamiana plants infected with PVX (B), TMV (C), and BMV (D). The pictures were taken about 10 days post infection by mechanical inoculation.
Ce protocole fournit une approche pour la modification chimique de VNPs et leurs applications pour l'imagerie in vivo de tumeurs. Les techniques d'imagerie de fluorescence des animaux, la quantification de fluorescence, et l'immunohistochimie présentés ici sont utiles pour étudier la biodistribution et l'évaluation de la tumeur de ralliement. Ces techniques fournissent des informations précieuses concernant l'accès des nanoparticules dans la tumeur via l'effet EPR. En comb...
Aucun conflit d'intérêt déclaré.
Ce travail a été soutenu par le NIH / NIBIB subventions R00 EB009105 (pour NFS) et P30 EB011317 (pour NFS), un NIH / NIBIB bourse de formation T32 EB007509 (à AMW), un Case Western Reserve University interdisciplinaire Alliance Investment Grant (pour NFS), et un cas Comprehensive Cancer Center de subvention P30 CA043703 (pour NFS). Nous remercions les chercheurs de laboratoire Steinmetz étudiants de premier cycle pour leur soutien pratique: Nadia Ayat, Kevin Chen, Sourav (Sid) Dey, Alice Yang, Sam Alexander, Craig D'Cruz, Stephen Hern, Lauren Randolph, Brian Alors, et Paul Chariou .
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Material Name | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
VNP production | |||
Indoor plant chamber | Percival Scientific | E-41L2 | |
V. unguiculata seeds (California black-eye no. 5) | Burpee | 51771A | |
N. benthamiana seeds | N. benthamiana seeds were a gift from Salk Institute. Seeds are produced through plant propagation. | ||
Carborundum | Fisher | C192-500 | |
Pro-mix BX potting soil | Premier Horticulture | 713400 | |
Jack's Professional 20-10-20 Peat-Lite Fertilizer | JR Peters | 77860 | |
Equipment | |||
50.2 Ti rotor | Beckman | 337901 | |
SW 32 Ti rotor | Beckman | 369694 | |
Optima L-90K ultracentrifuge | Beckman | 365672 | |
SLA-3000 rotor | Thermo Scientific | 07149 | |
SS-34 rotor | Thermo Scientific | 28020 | |
Sorvall RC-6 Plus centrifuge | Thermo Scientific | 46910 | |
Polypropylene bottle | Beckman | 355607 | For SLA-3000 rotor |
Polycarbonate bottle | Beckman | 357002 | For SS-34 rotor |
Ultra-Clear tube | Beckman | 344058 | For sucrose gradient and SW 32 Ti rotor |
Polycarbonate bottle | Beckman | 355618 | For pelleting and 50.2 Ti rotor |
NanoDrop spectrophotometer | Thermo Scientific | NanoDrop2000c | |
PowerEase 500 pre-cast gel system | Invitrogen | EI8675EU | |
Superose 6 10/300 GL (24 ml) size-exclusion column | GE Healthcare | 17-5172-01 | |
ÄKTA Explorer 100 Chromatograph | GE Healthcare | 28-4062-66 | |
Allegra X-12R | Beckman | 392302 | Benchtop centrifuge |
Cryostat | Leica | CM1850 | |
Maestro 2 | Caliper Life Sciences | In vivo imaging system | |
Tissue-Tearor | Biospec Products | 985370-395 | |
Microplate reader | Tecan | Infinite-200 | |
Transmission electron microscope | ZEISS | Libra 200FE | |
FluoView laser scanning confocal microscope | Olympus | FV1000 | |
Chemicals and Reagents | |||
3-ethynylaniline | Sigma Aldrich | 498289-5G | |
384 well black plate | BD Biosciences | 353285 | |
4-12% Bis-Tris NuPAGE SDS gel | Invitrogen | NP0321BOX | |
4X LDS sample buffer | Invitrogen | NP0008 | |
Acetic Acid | Fisher | A385-500 | |
Acetonitrile | Sigma Aldrich | 271004-1L | |
Alexa Fluor 647 azide | Invitrogen | A10277 | |
Alexa Fluor 647 carboxylic acid, succinimidyl ester | Invitrogen | A20006 | |
Amicon Ultra-0.5 ml Centrifugal Filters | Millipore | UFC501096 | 10 kDa cut-off |
Aminoguanidine hydrochloride | Acros Organics | 36891-0250 | |
Boric acid | Fisher | A74-500 | |
Coomassie Brilliant Blue R-250 | Fisher | BP101-25 | |
CsCl | Acros Organics | 42285-1000 | |
DAPI | MP Biomedicals | 157574 | |
Dimethyl sulfoxide | Fisher | BP231-100 | |
Filter paper | Fisher | 09-801K | P5 grade |
FITC anti-mouse CD31 | BioLegend | 102406 | |
Goat serum | Invitrogen | 16210-064 | |
KCl | Fisher | BP366-500 | |
L-ascorbic acid sodium salt | Acros Organics | 35268-0050 | |
Methanol | Fisher | A412P-4 | |
MgCl2 | Fisher | BP214-500 | |
Microscope slides | Fisher | 12-544-3 | |
Microscope cover glass | VWR | 48366-277 | |
MOPS buffer | Invitrogen | NP0001 | |
mPEG-mal | Nanocs | PG1-ML-2k | MW 2000 |
mPEG-N3 | Nanocs | PG1-AZ-5k | MW 5000 |
mPEG-NHS | Nanocs | PG1-SC-5k | MW 5000 |
NaCl | Fisher | BP358-212 | |
Oregon Green 488 succinimidyl ester *6-isomer* | Invitrogen | O-6149 | |
p-toluenesulfonic acid monohydrate | Acros Organics | 13902-0050 | |
Permount | Fisher | SP15-100 | |
Potassium phosphate dibasic | Fisher | BP363-1 | |
Potassium phosphate monobasic | Fisher | BP362-1 | |
Sodium acetate | Fisher | BP333-500 | |
Sodium nitrite | Acros Organics | 42435-0050 | |
Sodium sulfite | Amresco | 0628-500G | |
Sucrose | Fisher | S6-500 | |
TEM grid | Ted Pella | FCF-400Cu | |
Tris base | Fisher | BP152-500 | |
Triton X-100 | EMD Chemicals | TX1568-1 | |
β-mercaptoethanol | Fisher | O3446I-100 | |
Tissue Culture | |||
Fetal bovine serum | Invitrogen | 12483-020 | |
Hemocytometer | Fisher | 0267110 | |
HT-29 cells | ATCC | HTB-38 | |
L-glutamine | Invitrogen | 25030-080 | |
PBS | Cellgro | 21-040-CV | |
Penicillin-streptomycin | Invitrogen | 10378-016 | |
RPMI-1640 | Invitrogen | 31800-089 | |
Tissue culture flasks | Corning | 431080 | 175 cm2 |
Trypan Blue | Thermo Scientific | SV30084.01 | |
Trypsin, 0.05% (1X) with EDTA 4Na, liquid | Invitrogen | 25300-054 | |
Animal Studies | |||
18% Protein Rodent Diet | Harlan Teklad | Teklad Global 2018S | Alfalfa free diet |
Insulin syringe | BD Biosciences | 329410 | 28 gauge |
Isoflurane | Baxter | AHN3637 | |
Matrigel Matrix basement membrane | BD Biosciences | 356234 | |
NCR nu/nu mice | CWRU School of Medicine Athymic Animal and Xenograft Core Facility | ||
Sterile syringe | BD Biosciences | 305196 | 18 1/2 gauge |
Tissue-Tek CRYO-OCT Compound | Andwin Scientific | 4583 |
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